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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6160903
(24)【登録日】2017年6月23日
(45)【発行日】2017年7月12日
(54)【発明の名称】磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置
(51)【国際特許分類】
H01L 21/8239 20060101AFI20170703BHJP
H01L 27/105 20060101ALI20170703BHJP
H01L 29/82 20060101ALI20170703BHJP
H01L 43/08 20060101ALI20170703BHJP
【ＦＩ】
H01L27/105 447
H01L29/82 Z
H01L43/08 Z
【請求項の数】14
【全頁数】40
(21)【出願番号】特願2013-50910(P2013-50910)
(22)【出願日】2013年3月13日
(65)【公開番号】特開2014-179381(P2014-179381A)
(43)【公開日】2014年9月25日
【審査請求日】2015年11月26日
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２４年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ノーマリーオフコンピューティング基盤技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100108062
【弁理士】
【氏名又は名称】日向寺 雅彦
(72)【発明者】
【氏名】才田 大輔
(72)【発明者】
【氏名】天野 実
(72)【発明者】
【氏名】今村 裕志
【審査官】
加藤 俊哉
(56)【参考文献】
【文献】
特開２０１２−０６４９０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−０６４８６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２０１２−０９４８９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−０４７２５７（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００７−１５０２６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特表２００９−５３０８２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−１１７０４７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９
Ｈ０１Ｌ ２７／１０５
Ｈ０１Ｌ ２９／８２
Ｈ０１Ｌ ４３／０８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
磁化の方向が固定された第１強磁性層と、
前記第１強磁性層と積層された第２強磁性層であって、
磁化の方向が可変である第１部分と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との積層方向に前記第１部分と積層され磁化の方向が可変である第２部分と、
を含み、前記第２部分の磁気共鳴周波数は前記第１部分の磁気共鳴周波数よりも低い第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部と、
前記積層方向に前記第１積層部と積層された第２積層部であって、磁化の方向が可変である第３強磁性層を含む第２積層部と、
を備え、
前記積層方向に前記第１積層部及び前記第２積層部に電流が流れた際に、回転磁界が発生して、前記第１部分及び前記第２部分のそれぞれの前記磁化の方向は前記電流の向きに応じた方向に向き、
前記第１部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ以上であり、
前記第２部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ未満である磁気記憶素子。
前記第１強磁性層と積層された第２強磁性層であって、
磁化の方向が可変である第１部分と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との積層方向に前記第１部分と積層され磁化の方向が可変である第２部分と、
を含み、前記第２部分の磁気共鳴周波数は前記第１部分の磁気共鳴周波数よりも低い第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられた第１非磁性層と、
を含む第１積層部と、
前記積層方向に前記第１積層部と積層された第２積層部であって、磁化の方向が可変である第３強磁性層を含む第２積層部と、
を備え、
前記積層方向に前記第１積層部及び前記第２積層部に電流が流れた際に、回転磁界が発生して、前記第１部分及び前記第２部分のそれぞれの前記磁化の方向は前記電流の向きに応じた方向に向き、
前記第１部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ以上であり、
前記第２部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ未満である磁気記憶素子。
【請求項2】
前記第１部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ以上であり、
前記第２部分の前記磁気共鳴周波数は、１５ＧＨｚ以下である請求項１記載の磁気記憶素子。
前記第２部分の前記磁気共鳴周波数は、１５ＧＨｚ以下である請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項3】
前記第２積層部は、
前記積層方向に前記第３強磁性層と積層され磁化の方向が固定された第４強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、
を、さらに含む請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
前記積層方向に前記第３強磁性層と積層され磁化の方向が固定された第４強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記第４強磁性層との間に設けられた第２非磁性層と、
を、さらに含む請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項4】
前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きは、前記第４強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きに対して逆である請求項３記載の磁気記憶素子。
【請求項5】
前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３非磁性層を、さらに備え、
前記第３非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、及び、バナジウム（Ｖ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
前記第３非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、及び、バナジウム（Ｖ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含む請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項6】
前記第１積層部と前記第２積層部との間に設けられた第３非磁性層を、さらに備え、
前記第３非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、及び、イリジウム（Ｉｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含み、
前記第３非磁性層の厚さは、３ナノメートル以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
前記第３非磁性層は、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、及び、イリジウム（Ｉｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含み、
前記第３非磁性層の厚さは、３ナノメートル以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項7】
前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向に対して平行な垂直磁化成分は、前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向に対して垂直な面内磁化成分よりも大きく、
前記第１部分の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第１部分の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きく、
前記第２部分の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第２部分の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きく、
前記第３強磁性層の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第３強磁性層の前記磁化の前記面内磁化成分よりも小さい請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
前記第１部分の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第１部分の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きく、
前記第２部分の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第２部分の前記磁化の前記面内磁化成分よりも大きく、
前記第３強磁性層の前記磁化の前記垂直磁化成分は、前記第３強磁性層の前記磁化の前記面内磁化成分よりも小さい請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項8】
前記積層方向に対して垂直な面内方向の前記第３強磁性層の長さは、３５ナノメートル以下であり、
前記積層方向の前記第３強磁性層の長さは、０．５ナノメートル以上３．５ナノメートル以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
前記積層方向の前記第３強磁性層の長さは、０．５ナノメートル以上３．５ナノメートル以下である請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項9】
前記第１積層部は、
磁化の方向が固定された第５強磁性層と、
第５非磁性層と、
をさらに含み、
前記第１強磁性層は、前記第２強磁性層と前記第５強磁性層との間に配置され、
前記第５非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第５強磁性層との間に配置され、
前記第５強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きは、前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きに対して逆である請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
磁化の方向が固定された第５強磁性層と、
第５非磁性層と、
をさらに含み、
前記第１強磁性層は、前記第２強磁性層と前記第５強磁性層との間に配置され、
前記第５非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第５強磁性層との間に配置され、
前記第５強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きは、前記第１強磁性層の前記磁化の前記積層方向の成分の向きに対して逆である請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項10】
前記第２強磁性層、前記第１非磁性層及び前記第２積層部は、それぞれ複数設けられ、
前記複数の第２強磁性層は、前記積層方向に対して垂直な面内方向に並び、
前記複数の第１非磁性層のそれぞれは、前記第１強磁性層と前記複数の第２強磁性層とのそれぞれの間に配置され、
前記複数の第２積層部は、前記複数の第２強磁性層のそれぞれと積層され、
前記複数の第２積層部のそれぞれの前記面内方向の長さは、前記複数の第２強磁性層のそれぞれの前記面内方向の長さよりも短い請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
前記複数の第２強磁性層は、前記積層方向に対して垂直な面内方向に並び、
前記複数の第１非磁性層のそれぞれは、前記第１強磁性層と前記複数の第２強磁性層とのそれぞれの間に配置され、
前記複数の第２積層部は、前記複数の第２強磁性層のそれぞれと積層され、
前記複数の第２積層部のそれぞれの前記面内方向の長さは、前記複数の第２強磁性層のそれぞれの前記面内方向の長さよりも短い請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項11】
前記第１強磁性層の前記積層方向に対して垂直な面内方向の長さは、前記第１積層部から前記第２積層部に向かう方向において減少する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項12】
前記第２強磁性層及び前記第２積層部は、それぞれ複数設けられ、
前記複数の第２強磁性層は、前記積層方向に対して垂直な面内方向に並び、
前記第１非磁性層は、前記第１強磁性層と前記複数の第２強磁性層との間に配置され、
前記複数の第２積層部は、前記複数の第２強磁性層のそれぞれと積層される請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
前記複数の第２強磁性層は、前記積層方向に対して垂直な面内方向に並び、
前記第１非磁性層は、前記第１強磁性層と前記複数の第２強磁性層との間に配置され、
前記複数の第２積層部は、前記複数の第２強磁性層のそれぞれと積層される請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項13】
請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気記憶素子と、
前記磁気記憶素子の一端に電気的に接続された第１配線と、
前記磁気記憶素子の他端に電気的に接続された第２配線と、
前記第１配線及び前記第２配線を介して前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１部分の前記磁化の方向及び前記第２部分の前記磁化の方向を変化させる書き込みのときに前記磁気記憶素子に電流を供給する時間を、前記第１部分の前記磁化の方向及び前記第２部分の前記磁化の方向を読み出す読み出しのときに前記磁気記憶素子に電流を供給する時間よりも長くする不揮発性記憶装置。
前記磁気記憶素子の一端に電気的に接続された第１配線と、
前記磁気記憶素子の他端に電気的に接続された第２配線と、
前記第１配線及び前記第２配線を介して前記磁気記憶素子と電気的に接続された制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１部分の前記磁化の方向及び前記第２部分の前記磁化の方向を変化させる書き込みのときに前記磁気記憶素子に電流を供給する時間を、前記第１部分の前記磁化の方向及び前記第２部分の前記磁化の方向を読み出す読み出しのときに前記磁気記憶素子に電流を供給する時間よりも長くする不揮発性記憶装置。
【請求項14】
前記磁気記憶素子と前記第１配線との間及び前記磁気記憶素子と前記第２配線との間の少なくとも一方に設けられた選択トランジスタをさらに備えた請求項１３記載の不揮発性記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置に関する。
【背景技術】
【0002】
磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ:Magnetic Random Access Memory）において、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ:Tunneling MagnetoResistive）効果を示す強磁性トンネル接合（ＭＴＪ：Magnetic Tunnel Junction）素子をデータ記憶部に用いる構成がある。この構成は、高速・大容量の不揮発性記憶装置として注目を集めている。このような磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置において、誤動作を抑制することが望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０１２−６４８６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明の実施形態は、誤動作を抑制した磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の実施形態によれば、第１積層部と、第２積層部と、を備えた磁気記憶素子が提供される。前記第１積層部は、第１強磁性層と、第２強磁性層と、第１非磁性層と、を含む。前記第１強磁性層の磁化の方向は、固定されている。前記第２強磁性層は、前記第１強磁性層と積層される。前記第２強磁性層は、第１部分と、第２部分と、を含む。前記第１部分の磁化の方向は、可変である。前記第２部分は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との積層方向に前記第１部分と積層される。前記第２部分の磁化の方向は、可変である。前記第２部分の磁気共鳴周波数は、前記第１部分の磁気共鳴周波数よりも低い。前記第１非磁性層は、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に設けられる。前記第２積層部は、前記積層方向に前記第１積層部と積層される。前記第２積層部は、磁化の方向が可変である第３強磁性層を含む。前記積層方向に前記第１積層部及び前記第２積層部に電流が流れた際に、回転磁界が発生して、前記第１部分及び前記第２部分のそれぞれの前記磁化の方向は前記電流の向きに応じた方向に向く。前記第１部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ以上であり、前記第２部分の前記磁気共鳴周波数は、２０ＧＨｚ未満である。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的断面図である。
【図8】第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
【図9】第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
【図10】第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
【図12】第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
【図13】第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
【図14】第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
【図15】第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
【図16】第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
【図17】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図18】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。
【図20】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図23】第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図27】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
【図28】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0007】
以下に、各実施形態について図面を参照しつつ説明する。 なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【0008】
（第１の実施形態）図１は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式的断面図である。
図１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０は、磁気記憶素子１１０と、制御部５５０と、を含む。
磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ０を含む。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。
制御部５５０は、磁気記憶素子１１０と電気的に接続される。制御部５５０は、磁気記憶素子１１０に対して電圧の印加及び電流の供給を行うことにより、磁気記憶素子１１０の動作を制御する。
【0009】
第１積層部ＳＢ１は、第１強磁性層１０と、第２強磁性層２０と、第１非磁性層１０ｎと、を含む。 第１強磁性層１０は、主面１０ａを有する。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、実質的に固定されている。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、例えば、主面１０ａに対して垂直な成分を有する。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、主面１０ａに対して非平行である。
【0010】
第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と積層される。第２強磁性層２０は、第１部分２１と、第２部分２２と、を含む。第１部分２１の磁化２１ｍの方向は、可変である。第２部分２２は、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との積層方向ＳＤ１に第１部分２１と積層される。積層方向ＳＤ１は、例えば、主面１０ａに対して垂直である。この例では、第１強磁性層１０と第１部分２１との間に第２部分２２が設けられる。第２部分２２の磁化２２ｍの方向は、可変である。第１部分２１の磁化２１ｍは、第２部分２２の磁化２２ｍと強磁性結合している。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、第１部分２１の磁気共鳴周波数よりも低い。第１部分２１の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ以上である。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満である。
【0011】
第１部分２１及び第２部分２２には、例えば、合金が用いられる。第２部分２２に含まれる少なくとも１つの元素の濃度は、第１部分２１に含まれる同じ元素の濃度と異なる。すなわち、第２部分２２に含まれる合金の組成比は、第１部分２１に含まれる合金の組成比と異なる。第２部分２２は、例えば、第２強磁性層２０において、第１部分２１と合金の組成比を変えた部分である。
【0012】
第２部分２２の材料は、第１部分２１の材料と異なってもよい。この場合、第１部分２１及び第２部分２２は、それぞれ第２強磁性層２０に含まれる１つの層と見なすことができる。すなわち、第２強磁性層２０は、第１層と第２層とを含む積層体でもよい。
【0013】
第１非磁性層１０ｎは、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間に設けられる。第１非磁性層１０ｎは、例えば、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０に接する。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、積層方向ＳＤ１に積層されている。
【0014】
本願明細書において、積層されている状態は、直接接して重ねられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて重ねられる場合も含む。
【0015】
第１積層部ＳＢ１の積層方向ＳＤ１に対して平行な方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｘ軸とＺ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。積層体ＳＢ０に含まれる層の膜面は、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。例えば、主面１０ａは、Ｘ−Ｙ平面に対して平行である。
【0016】
第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１と積層される。第２積層部ＳＢ２は、第３強磁性層３０を含む。第３強磁性層３０は、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１と積層される。第３強磁性層３０の磁化の方向は、可変である。第３強磁性層３０の幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）は、例えば、３５ナノメートル（ｎｍ）以下である。例えば、Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第３強磁性層３０の形状が円形である場合、その円の直径は、３５ｎｍ以下である。例えば、第３強磁性層３０の面内方向（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向）の最大の長さが、３５ｎｍ以下である。第３強磁性層３０の厚さ（積層方向ＳＤ１の長さ）は、例えば、０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下である。
【0017】
この例では、第２積層部ＳＢ２が、第４強磁性層４０と第２非磁性層２０ｎとをさらに含む。第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０と積層方向ＳＤ１に積層される。第４強磁性層４０の磁化の方向は、実質的に固定されている。第２非磁性層２０ｎは、第３強磁性層３０と第４強磁性層４０との間に設けられる。第２非磁性層２０ｎは、例えば、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０に接する。
【0018】
この例では、積層体ＳＢ０が、第３非磁性層３０ｎをさらに含む。第３非磁性層３０ｎは、第１積層部ＳＢ１と第２積層部ＳＢ２との間に設けられる。この例では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第３非磁性層３０ｎ、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層される。第３非磁性層３０ｎは、例えば、流れる電子のスピン偏極度を消失させるスピン消失層である。第３非磁性層３０ｎは、例えば、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に接する。この例において、第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０及び第３強磁性層３０に接する。
【0019】
この例では、磁気記憶素子１１０が、第１導電層８１と、第２導電層８２と、をさらに含む。第１積層部ＳＢ１は、第１導電層８１と第２導電層８２との間に配置される。第２積層部ＳＢ２は、第１積層部ＳＢ１と第２導電層８２との間に配置される。第１導電層８１は、第１積層部ＳＢ１に電気的に接続される。この例では、第１導電層８１は、第１強磁性層１０に電気的に接続される。第２導電層８２は、第２積層部ＳＢ２に電気的に接続される。この例では、第２導電層８２は、第４強磁性層４０に電気的に接続される。
【0020】
第１導電層８１及び第２導電層８２は、制御部５５０と電気的に接続される。磁気記憶素子１１０は、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して制御部５５０と直接または間接に接続される。第１導電層８１及び第２導電層８２は、磁気記憶素子１１０とは別と見なしても良い。不揮発性記憶装置６１０は、例えば、第１配線９１及び第２配線９２をさらに含む（図２８参照）。第１配線９１は、例えば、第１導電層８１に電気的に接続される。第２配線９２は、例えば、第２導電層８２に電気的に接続される。制御部５５０は、例えば、第１配線９１及び第２配線９２を介して磁気記憶素子１１０と電気的に接続される。
【0021】
実施形態に係る不揮発性記憶装置６１０によれば、誤動作を抑制した磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供できる。磁気記憶素子１１０では、第１部分２１の磁化２１ｍと第２部分２２の磁化２２ｍとが、強磁性結合している。これにより、例えば、静磁状態における第２強磁性層２０のΔ値すなわち熱擾乱耐性を高めることができる。従って、磁気記憶素子１１０及び不揮発性記憶装置６１０の誤動作を抑制することができる。例えば、磁気記憶素子１１０の記憶保持時間を長時間化できる。書き込み時の電流値を低減させることもできる。
【0022】
Δ値とは、例えば、第２強磁性層２０の磁気異方性エネルギーと熱エネルギーとの比である。Δ値は、例えば、次の式で表すことができる。 Δ＝Ｋｕ・Ｖ／ＫＢ・Ｔ
上記の式において、Ｋｕは有効磁気異方性定数であり、Ｖは第２強磁性層２０の体積であり、ＫＢはボルツマン定数であり、Ｔは磁気記憶素子１１０の絶対温度である。
【0023】
以下では、磁気記憶素子１１０の構成及び動作の例について説明する。以下の説明は、磁気記憶素子１１０に加え、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。
【0024】
磁気記憶素子１１０においては、積層方向ＳＤ１に第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電流を流すことによりスピン偏極した電子を第２強磁性層２０に作用させる。また、磁気記憶素子１１０においては、第３強磁性層３０の磁化を歳差運動させることにより発生する回転磁界を第２強磁性層２０に作用させる。これにより、第２強磁性層２０の第１部分２１の磁化２１ｍの方向及び第２部分２２の磁化２２ｍの方向が、電流の向きに応じた方向に決定される。
【0025】
第１強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層として機能する。第１強磁性層１０においては、例えば、磁化１０ｍが膜面に対して略垂直方向に固定されている。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、積層方向ＳＤ１と略平行である。
【0026】
第２強磁性層２０の第１部分２１においては、例えば、第１部分２１の磁化２１ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向で、積層方向ＳＤ１と略平行である。第１部分２１の磁化２１ｍは、反転可能である。第１部分２１は、データを記憶する役割をもつ。第１部分２１は、例えば、磁気記憶層として機能する。
【0027】
第２強磁性層２０の第２部分２２においては、例えば、第２部分２２の磁化２２ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向で、積層方向ＳＤ１と略平行である。第２部分２２の磁化２２ｍは、反転可能である。第２部分２２の磁化２２ｍは、例えば、積層方向ＳＤ１に電流が積層体ＳＢ０に流れた際に、第１部分２１の磁化２１ｍよりも早く磁化反転して、第１部分２１の磁化２１ｍの磁化反転をアシストする。第２部分２２は、例えば、第１部分２１の磁化反転のトリガとして機能する。第２部分２２は、例えば、トリガ層である。
【0028】
なお、第２部分２２もデータの記憶保持に寄与する。従って、第２強磁性層２０を磁気記憶層とし、第１部分２１を記憶保持の本体部分、第２部分２２を磁化反転のトリガ部分と考えてもよい。
【0029】
第１非磁性層１０ｎは、第１のスペーサ層として機能する。第１非磁性層１０ｎが絶縁材料に基づくトンネルバリア層である場合に、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０を含む第１積層部ＳＢ１は、例えば、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）の構造を有する。
【0030】
第３強磁性層３０においては、例えば、積層方向ＳＤ１へ投影した磁化成分が、積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向へ投影した磁化成分よりも小さい。第３強磁性層３０の磁化容易軸は、膜面に対して略平行である。第３強磁性層３０は、書き込み時に高周波磁場を発生させる役割をもつ。第３強磁性層３０は、例えば、磁化回転層（発振層）として機能する。
【0031】
第４強磁性層４０は、例えば、第２の磁化固定層として機能する。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、例えば、膜面に対して略垂直方向に固定されている。例えば、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、膜面に対して略垂直方向である。第２非磁性層２０ｎは、第２のスペーサ層として機能する。
【0032】
第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第４強磁性層４０には、例えば、垂直磁化膜が用いられる。第３強磁性層３０には、例えば、面内磁化膜が用いられる。
【0033】
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を例示する模式図である。 図２（ａ）は、垂直磁化膜における磁化を例示している。図２（ｂ）は、面内磁化膜における磁化を例示している。
図２（ａ）及び図２（ｂ）に表したように、積層方向ＳＤ１に対して垂直な１つの方向を面内方向ＳＤ２とする。面内方向ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の方向である。磁化７２の面内磁化成分７２ｂは、磁化７２をＸ−Ｙ平面に投影した成分である。面内磁化成分７２ｂは、面内方向ＳＤ２に対して平行である。磁化７２の垂直磁化成分７２ａは、磁化７２をＺ軸方向に投影した成分である。垂直磁化成分７２ａは、積層方向ＳＤ１に対して平行である。
【0034】
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜においては、垂直磁化成分７２ａが、面内磁化成分７２ｂよりも大きい磁化状態を有する。垂直磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略垂直であることが動作特性上望ましい。
【0035】
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜においては、面内磁化成分７２ｂが、垂直磁化成分７２ａよりも大きい磁化状態を有する。面内磁化膜において、磁化の方向が膜面に対して略平行であることが動作特性上望ましい。
【0036】
説明の便宜上、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向を「上」または「上向き」と言う。第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向かう方向を「下」または「下向き」と言う。
【0037】
既に説明したように、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、実質的に固定される。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、実質的に固定されている。
【0038】
図１に表したように、磁気記憶素子１１０において、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向は上向きであり、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は下向きである。第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きは、例えば、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。ただし、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向は、種々の変形が可能である。例えば、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍの方向の両方を上向きまたは下向きとしてもよいし、一方を上向きとし、他方を下向きとしてもよい。
【0039】
磁気記憶素子１１０において、例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２を介して、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に電子電流を流すことができる。電子電流は電子の流れである。上向きに電流が流れるときには、電子電流は下向きに流れる。
【0040】
膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生源の第３強磁性層３０における磁化３０ｍが歳差運動する。これにより、回転磁界（高周波磁界）が発生する。高周波磁界の周波数は、例えば、約１ＧＨｚ〜６０ＧＨｚである。高周波磁界は、第２強磁性層２０の第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍに対して垂直方向の成分（第１部分２１及び第２部分２２の磁化困難軸の方向の成分）を有する。従って、第３強磁性層３０から発生した高周波磁界の少なくとも一部は、第１部分２１及び第２部分２２の磁化困難軸の方向に印加される。第３強磁性層３０から発生した高周波磁界が、第１部分２１及び第２部分２２の磁化困難軸の方向に印加されると、第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍが反転し易くなる。
【0041】
磁気記憶素子１１０においては、電子電流を第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２に流すことによって、第１部分２１の磁化２１ｍの方向及び第２部分２２の磁化２２ｍの方向を制御することができる。具体的には、電子電流の流れる向き（極性）を変えることで第１部分２１の磁化２１ｍの向き及び第２部分２２の磁化２２ｍの向きを反転させることができる。情報を記憶させる場合において、例えば、第１部分２１の磁化２１ｍの方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。磁気記憶素子１１０は、第１状態、または、第１状態とは異なる第２状態、を有する。第１状態及び第２状態のそれぞれは、第１部分２１の磁化２１ｍの異なる２つの方向に対応している。
【0042】
前述のように、第３強磁性層３０の幅（直径）は、３５ｎｍ以下であることが好ましい。第３強磁性層３０の幅が、３５ｎｍよりも大きくなると、例えば、第３強磁性層３０の磁化３０ｍの歳差運動にともなって、ボルテックス（還流磁区）が発生する。第３強磁性層３０の断面形状の円相当直径を３５ｎｍ以下とし、第３強磁性層３０の厚さを０．５ｎｍ以上３．５ｎｍ以下とすることで、例えば、ボルテックスの発生を抑制することができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０から発生した高周波磁界を第２強磁性層２０の磁化反転により適切に作用させ、第２強磁性層２０の第１部分２１及び第２部分２２の磁化反転をアシストすることができる。すなわち、第２強磁性層２０の位置において、第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍが反転する十分な磁界強度を得ることができる。
【0043】
第３強磁性層３０の横断面形状（積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの断面形状）の円相当直径をＲ（ｎｍ）、「Ｒ」の半分の値をｒ（＝Ｒ／２）（ｎｍ）、層厚をｔ（ｎｍ）とするとき、ｒ＜０．４１９ｔ２−２．８６ｔ＋１９．８の関係式を満たすサイズとすることが望ましい。
【0044】
本願明細書において、「円相当直径」とは、対象とする平面形状の面積と同じ面積を有する円を想定し、その円の直径をいうものとする。例えば、第３強磁性層３０の横断面形状が円形の場合、「Ｒ」は直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が楕円の場合、「Ｒ」は、その楕円の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。第３強磁性層３０の横断面形状が多角形の場合、「Ｒ」は、その多角形の面積と同じ面積を有する円の直径を意味する。
【0045】
磁気記憶素子１１０における動作の具体例として、まず「書き込み」動作の例について説明する。
【0046】
図３（ａ）〜図３（ｅ）及び図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。 これらの図は、磁気記憶素子１１０における「書き込み」動作の際の第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の状態を例示している。書き込み動作においては、第１強磁性層１０の膜面及び第２強磁性層２０の膜面を横切るように電子電流６０を流すことにより、第２強磁性層２０に対して書き込み動作が実施される。ここでは、第１非磁性層１０ｎを介した磁気抵抗効果が、ノーマルタイプである場合について説明する。
【0047】
「ノーマルタイプ」の磁気抵抗効果においては、非磁性層の両側の磁性層の磁化どうしが互いに平行である時の電気抵抗が、反平行である時の電気抵抗よりも低い。ノーマルタイプの場合、第１非磁性層１０ｎを介した第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍが第２強磁性層２０の磁化２１ｍ、２２ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【0048】
図３（ａ）〜図３（ｅ）は、第２強磁性層２０の第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍの向きを上向きから下向きに反転させる場合を例示している。 図３（ａ）は、電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｅ）は、電子電流６０を流し終えた状態（磁化２１ｍ及び磁化２２ｍが反転した状態）を例示している。図３（ｂ）〜図３（ｄ）は、その途中の状態を例示している。
【0049】
図３（ａ）に表したように、磁化２１ｍの向き及び磁化２２ｍの向きを上向きから下向きに反転させる場合には、第２積層部ＳＢ２から第１積層部ＳＢ１に向けて電子電流６０を流す。すなわち、下向きに電子電流６０を流す。
【0050】
電子電流６０を下向きに流すと、第１非磁性層１０ｎを通過した電子のうちで、第１強磁性層１０の磁化１０ｍと同じ向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第１強磁性層１０を通過する。一方、第１強磁性層１０の磁化１０ｍに対して逆向き（この例において下向き）のスピンをもった電子は、第１強磁性層１０と第１非磁性層１０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び磁化２２ｍに作用する。
【0051】
図３（ｂ）に表したように、電子電流６０を流すと、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。膜面に対して略垂直方向の磁化４０ｍを有する第４強磁性層４０を通過した電子は、第４強磁性層４０の磁化４０ｍと同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第３強磁性層３０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化３０ｍに作用する。すなわち、いわゆるスピントランスファトルクが働く。これにより、電子電流６０の供給によって、磁化３０ｍが歳差運動する。第３強磁性層３０を通過した電子のスピン偏極度は、第３非磁性層３０ｎの通過によって消失される。
【0052】
図３（ｃ）に表したように、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動すると、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用と第１強磁性層１０との界面で反射するスピン偏極した電子の作用により、まずトリガ層である第２部分２２の磁化２２ｍの向きが、上向きから下向きに反転する。
【0053】
前述のように、第２部分２２の磁気共鳴周波数は、第１部分２１の磁気共鳴周波数よりも低い。第３強磁性層３０の発生させる回転磁界の周波数は、第２部分２２の磁気共鳴周波数に合わせて設定される。これにより、下向きのスピンをもった電子の作用と回転磁界の作用とにより、第２部分２２の磁化２２ｍの向きが、上向きから下向きに反転する。
【0054】
図３（ｄ）に表したように、第２部分２２の磁化２２ｍの向きが上向きから下向きに反転すると、スピン偏極した電子の作用、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用及び強磁性結合した磁化２２ｍの作用により、第１部分２１の磁化２１ｍの向きが、上向きから下向きに反転する。
【0055】
図３（ｅ）に表したように、電子電流６０の供給を停止すると、磁化３０ｍの歳差運動が停止し、磁化２１ｍの向き及び磁化２２ｍの向きが、上向きから下向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化２１ｍ及び磁化２２ｍを有する第２強磁性層２０の状態に、例えば「０」を割り当てる。磁気記憶素子１１０は、例えば、第２強磁性層２０の磁化２１ｍの向き及び磁化２２ｍの向きが下向きである状態が、第１状態に対応する。
【0056】
また、図３（ａ）〜図３（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１１０では、第１状態と第２状態との間に、３つの状態を持つ。１つは、図３（ｂ）に表したように、磁化２１ｍ及び磁化２２ｍが上向きで、磁化３０ｍが歳差運動している状態である。もう１つは、図３（ｃ）に表したように、磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの一方が上向き、他方が下向きで、磁化３０ｍが歳差運動している状態である。もう１つは、図３（ｄ）に表したように、磁化２１ｍ及び磁化２２ｍが下向きで、磁化３０ｍが歳差運動している状態である。すなわち、磁気記憶素子１１０は、第１状態及び第２状態に、上記３つの状態を加えた、最大で５つの状態を持つ。
【0057】
図４（ａ）〜図４（ｅ）は、第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合を例示している。 図４（ａ）は、電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図４（ｅ）は、電子電流６０を流し終えた状態（磁化２１ｍ及び磁化２２ｍが反転した状態）を例示している。図４（ｂ）〜図４（ｄ）は、その途中の状態を例示している。
【0058】
図４（ａ）に表したように、磁化２１ｍの向き及び磁化２２ｍの向きを下向きから上向きに反転させる場合には、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向けて電子電流６０を流す。すなわち、上向きに電子電流６０を流す。
【0059】
図４（ｂ）に表したように、電子電流６０を流すと、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動し、回転磁界が発生する。第４強磁性層４０の磁化４０ｍに対して逆向きのスピンをもった電子は、第４強磁性層４０と第２非磁性層２０ｎとの界面において反射される。この反射された電子のスピンの角運動量は、第３強磁性層３０へ伝達され、第３強磁性層３０の磁化３０ｍに作用する。これにより、磁化３０ｍが歳差運動する。
【0060】
図４（ｃ）に表したように、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動すると、スピン偏極した電子の作用及び第３強磁性層３０からの回転磁界の作用により、第２部分２２の磁化２２ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。
【0061】
電子電流６０を上向きに流すと、第１強磁性層１０の磁化１０ｍと同じ向き（この例において上向き）のスピンをもった電子は、第１強磁性層１０を通過し、第２強磁性層２０へ伝達される。これにより、上向きのスピンをもった電子の作用と第３強磁性層３０からの回転磁界の作用とにより、第２部分２２の磁化２２ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。
【0062】
図４（ｄ）に表したように、第２部分２２の磁化２２ｍの向きが下向きから上向きに反転すると、スピン偏極した電子の作用、第３強磁性層３０からの回転磁界の作用及び強磁性結合した磁化２２ｍの作用により、第１部分２１の磁化２１ｍの向きが、下向きから上向きに反転する。
【0063】
図４（ｅ）に表したように、電子電流６０の供給を停止すると、磁化３０ｍの歳差運動が停止し、磁化２１ｍの向き及び磁化２２ｍの向きが、下向きから上向きに反転した状態で保持される。この向きの磁化２１ｍ及び磁化２２ｍを有する第２強磁性層２０の状態に、例えば「１」を割り当てる。磁気記憶素子１１０は、例えば、第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの向きが上向きである状態が、第２状態に対応する。
【0064】
このような作用に基づいて、第２強磁性層２０の異なる複数の状態のそれぞれに、「０」または「１」が適宜割り当てられる。これにより、磁気記憶素子１１０における「書き込み」が実施される。
【0065】
磁気抵抗効果が「リバースタイプ」の場合は、第１非磁性層１０ｎを介した第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間の電気抵抗は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍが第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び２２ｍに対して平行である時には、反平行である時よりも高い。リバースタイプにおける「書き込み」動作は、ノーマルタイプの場合と同様である。
【0066】
この例においては、例えば、第１状態が「０」であり、第２状態が「１」である。第１状態を「１」とし、第２状態を「０」としてもよい。第１状態及び第２状態は、「０」または「１」に限ることなく、他の状態でもよい。磁気記憶素子１１０に設けられる状態の数は、３つ以上でもよい。すなわち、磁気記憶素子１１０は、マルチビットの記憶素子でもよい。
【0067】
第１状態または第２状態の設定は、制御部５５０によって実施される。例えば、第１状態の設定が「書き込み」に対応し、第２状態の設定が「消去」に対応する。第２状態の設定が「書き込み」に対応し、第１状態の設定が「消去」に対応しても良い。
【0068】
電子電流６０の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、書き込み動作のときに、例えば、１０ナノ秒以上の電子電流６０を磁気記憶素子１１０に供給する。これにより、例えば、電子電流６０の供給によって、磁化２１ｍの向き及び磁化２２ｍの向きを適切に反転させることができる。より好ましくは、３ナノ秒以上である。これにより、例えば、適切に磁化を反転させつつ、書き込み動作にかかる時間を抑えることができる。
【0069】
次に、「読み出し」動作の例について説明する。 磁気記憶素子１１０における第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの方向の検出は、例えば、磁気抵抗効果を利用して実施される。磁気抵抗効果においては、各層の磁化の相対的な向きにより電気抵抗が変わる。磁気抵抗効果を利用する場合、第１強磁性層１０と第２強磁性層２０との間にセンス電流を流し、磁気抵抗が測定される。センス電流の電流値は、書き込み時（記憶時）に流す電子電流６０に対応する電流値よりも小さい。
【0070】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る不揮発性記憶装置の動作を例示する模式図である。 これらの図は、磁気記憶素子１１０における「読み出し」動作の際の第１積層部ＳＢ１の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２、第１導電層８１、第２導電層８２及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【0071】
図５（ａ）は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向が、第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの方向と同じ場合を例示している。図５（ｂ）は、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの方向が、第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの方向と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【0072】
図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように、第１積層部ＳＢ１にセンス電流６１を流し、電気抵抗を検出する。 ノーマルタイプの磁気抵抗効果においては、図５（ａ）の状態の抵抗は、図５（ｂ）の状態の抵抗よりも低い。リバースタイプの磁気抵抗効果においては、図５（ａ）の状態の抵抗は、図５（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【0073】
これらの抵抗が互いに異なる複数の状態のそれぞれに、それぞれ「０」と「１」とを対応づけることにより、２値データの記憶の読み出しが可能となる。なお、センス電流６１の向きは、図５（ａ）及び図５（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【0074】
センス電流６１の供給は、例えば、制御部５５０によって行われる。制御部５５０は、読み出し動作のときに、例えば、３ナノ秒以下のセンス電流６１を磁気記憶素子１１０に供給する。これにより、例えば、センス電流６１の供給による磁化２１ｍの向きの反転及び磁化２２ｍの向きの反転を抑えることができる。より好ましくは、１ナノ秒以下である。これにより、センス電流６１の供給による磁化の反転をより適切に抑えることができる。
【0075】
このように、制御部５５０は、「書き込み」のときに磁気記憶素子１１０に電流を供給する時間を、「読み出し」のときに磁気記憶素子１１０に電流を供給する時間よりも長くする。制御部５５０は、例えば、「書き込み」のときに第１時間の電流を磁気記憶素子１１０に供給し、「読み出し」のときに第２時間の電流を磁気記憶素子１１０に供給する。このとき、第１時間は、第２時間よりも長い。これにより、例えば、安定した「書き込み」の動作と、安定した「読み出し」の動作と、を得ることができる。
【0076】
ＤＲＡＭ相当のメモリ動作としては、１０ナノ秒〜３０ナノ秒での書き込み電流が想定される。一方、キャッシュメモリ相当の用途としては、１ナノ秒〜３ナノ秒での書き込み電流が想定される。
【0077】
書き込み時間（第１時間）は、例えば、１０ナノ秒以上であり、読み出し時間（第２時間）は、それ未満である。３ナノ秒以下の磁化反転では、磁化が熱の影響（熱によるアシスト効果）を受け難くなるため、反転に必要となる電流が上昇し始める。１ナノ秒の近傍は、ｄｙｎａｍｉｃ領域といい、磁化が熱の影響を受けないため、反転に要する電流がさらに大きくなる。
【0078】
そこで、１０ナノ秒以上で書き込みをし、３ナノ秒以下で読み出しをする。１ナノ秒以上３ナノ秒以下で書き込みをし、書き込みより小さい電流値で、３ナノ秒以下で読み出しをすることで、誤書き込み率をさらに低くすることができる。
【0079】
上記のように、磁気記憶素子１１０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生源として機能する。第１積層部ＳＢ１は、磁気記憶部として機能する。以下、第２積層部ＳＢ２を、磁界発生源、または、ＳＴＯ(Spin Torque Oscillator）と言う場合がある。一方、第１積層部ＳＢ１を、磁気記憶部、または、ＭＴＪと言う場合がある。
【0080】
上記のように、ＭＴＪ素子の記憶層及びトリガ層である第２強磁性層２０への書き込みが、スピントルク書き込み方式により行われる。このような磁気記憶素子１１０において、例えば、高記憶密度化の要請から磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とすることが望まれている。磁気記憶素子１１０の幅とは、例えば、磁気記憶素子１１０のＸ軸方向またはＹ軸方向の長さである。また、磁気記憶素子１１０のＸ−Ｙ平面に投影した形状が、円形または楕円形である場合、磁気記憶素子１１０の幅とは、磁気記憶素子１１０の直径（長径）である。
【0081】
本願発明者は、磁気記憶素子１１０の幅を３５ｎｍ以下とする場合に、第２強磁性層２０に第１部分２１と第２部分２２とを設け、第１部分２１の磁化２１ｍと第２部分２２の磁化２２ｍとを強磁性結合させることにより、熱擾乱耐性を維持できることを見出した。これにより、実施形態に係る磁気記憶素子１１０及び不揮発性記憶装置６１０では、誤動作を抑制することができる。
【0082】
また、本願発明者は、第２部分２２の磁気共鳴周波数を第１部分２１の磁気共鳴周波数よりも低くすることにより、第１部分２１の磁気共鳴周波数よりも低い周波数で磁化２１ｍ及び磁化２２ｍを反転させることができることを見出した。
【0083】
磁気記憶素子の幅を３５ｎｍ以下とする場合、記憶層のΔ値を６０以上とすることが好ましい。これにより、良好な熱擾乱耐性が得られる。前述のように、Δ値は、素子サイズに影響する。このため、素子サイズを小さくした場合には、有効磁気異方性定数Ｋｕの大きい材料を記憶層に用いる必要がある。
【0084】
記憶層の有効異方性磁界Ｈｋは、有効磁気異方性定数Ｋｕに比例する。Ｈｋは、例えば、Ｈｋ＝２・Ｋｕ／Ｍｓの式で表される。Ｍｓは、飽和磁化である。このため、有効磁気異方性定数Ｋｕの大きい材料を記憶層に用いた場合には、記憶層の有効異方性磁界Ｈｋが高くなる。
【0085】
記憶層の有効異方性磁界Ｈｋが高くなると、磁界発生源からアシスト磁界を印加して記憶層の磁化反転をアシストする際に、より高い周波数がアシスト磁界に必要となる。例えば、Δ値を６０以上とする場合には、Ｈｋが１０ｋＯｅ〜２０ｋＯｅ程度となり、３０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度の高周波アシスト磁界が必要となる。
【0086】
平行から反平行及び反平行から平行の双方向において記憶層の磁化反転をアシストするため、磁界発生源には、面内磁化膜が用いられることが多い。この場合において、３０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚ程度の磁界を発生させようとすると、例えば、磁界発生源の発生させる磁界の周波数と、記憶層の磁化の反転する周波数と、のマッチングが難しくなる。例えば、磁界発生源や記憶層に用いる材料の選定が難しくなる。磁気記憶素子の設計の自由度が低下する。
【0087】
これに対して、本実施形態に係る磁気記憶素子１１０では、第２部分２２の磁気共鳴周波数に応じた周波数の磁界の印加で、第１部分２１の磁化２１ｍ及び第２部分２２の磁化２２ｍを反転させることができる。第２部分２２の磁気共鳴周波数は、例えば、２０ＧＨｚ未満であり、より好ましくは、１５ＧＨｚ以下である。従って、第３強磁性層３０の発生させる回転磁界の周波数を、例えば、２０ＧＨｚ未満とすることができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０の発生させる回転磁界の周波数と、磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの磁気共鳴周波数と、のマッチングが容易になる。例えば、磁気記憶素子１１０において、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の設計の自由度を高めることができる。
【0088】
図６（ａ）〜図６（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーションの条件を例示する模式図である。 図６（ａ）は、シミュレーションに用いた磁気記憶部を表す模式的断面図である。図６（ｂ）は、第１部分２１に関するシミュレーション条件を示す表である。図６（ｃ）は、第２部分２２に関するシミュレーション条件を示す表である。
シミュレーションでは、Micromagnetics-LLGにより、トリガ層を設けることで、記憶層の磁気共鳴周波数より低い周波数の磁界で磁化反転がアシストされることを確認する。
【0089】
図６（ａ）に表したように、シミュレーションに用いた磁気記憶部ＭＭＵでは、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０が、この順で積層されている。第２強磁性層２０においては、第１強磁性層１０と第１部分２１との間に、第２部分２２が設けられる。すなわち、磁気記憶部ＭＭＵの積層順は、磁気記憶素子１１０の第１積層部ＳＢ１の積層順と同じである。磁気記憶部ＭＭＵのＸ−Ｙ平面に投影した形状は、円形とした。磁気記憶部ＭＭＵの直径は、１６ｎｍとした。
【0090】
図６（ｂ）に表したように、磁気記憶部ＭＭＵの第１部分２１（記憶層）において、厚さｔ１は１ｎｍ、飽和磁化Ｍｓ１は８００ｅｍｕ／ｃｃ、有効磁気異方性定数Ｋｕ１は１２×１０６ｅｒｇ／ｃｍ３、有効異方性磁界Ｈｋ１は２２ｋＯｅである。この場合、磁気共鳴周波数ｆ１は６２ＧＨｚ、しきい値電流Ｉｃ１は１１μＡとなる。
【0091】
図６（ｃ）に表したように、磁気記憶部ＭＭＵの第２部分２２（トリガ層）において、厚さｔ２は２ｎｍ、飽和磁化Ｍｓ２は５００ｅｍｕ／ｃｃ、有効磁気異方性定数Ｋｕ２は２．４×１０６ｅｒｇ／ｃｍ３、有効異方性磁界Ｈｋ２は４．６ｋＯｅである。この場合、磁気共鳴周波数ｆ２は１３ＧＨｚ、しきい値電流Ｉｃ２は３μＡとなる。第２部分２２は、面内磁化発振層/垂直磁化固着層から成る直径１６ｎｍのＳＴＯを想定した時に、ＳＴＯで発生可能な周波数帯域とした。
【0092】
シミュレーションでは、磁気記憶部ＭＭＵに対して、周波数をパラメータとした回転磁界を与えた。回転磁界の磁界強度は、第１部分２１の有効異方性磁界Ｈｋ１に対して１０％程度とした。第１部分２１のしきい値電流Ｉｃ１の２倍の大きさの電流を下から上向きに流した。
【0093】
図７（ａ）〜図７（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示する模式図である。 図７（ａ）は、磁気記憶部ＭＭＵにおいて、第１部分２１及び第２部分２２を垂直方向に磁化させた場合を示している。図７（ｂ）は、磁気記憶部ＭＭＵにおいて、第１部分２１及び第２部分２２を面内方向に磁化させた場合を示している。図７（ｃ）は、シミュレーション結果を示すグラフ図である。図７（ｃ）の横軸は、時間（ナノ秒）であり、縦軸は、エネルギーである（Ｊ）。
【0094】
シミュレーションでは、トリガ層を設けたことにより、第２強磁性層２０の熱擾乱耐性（Δ値）が減少しないかを検討した。 図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、記憶層とトリガ層の初期磁化をそれぞれ面内方向に傾けた場合と、それぞれ垂直方向に傾けた場合について、１０ｎｓ間の磁化緩和過程を計算した。この系では、垂直磁化が安定である。一方、面内磁化は、ある一定時間を経てエネルギーバリアを超えて垂直磁化へ緩和する。
【0095】
図７（ｃ）に表したように、垂直磁化は一定値である。一方、面内磁化は約３ｎｓまで高いエネルギー状態を保った後、垂直磁化へと緩和して低いエネルギー状態へと遷移している。この時のエネルギーバリアから第２強磁性層２０のΔ値を求めた。
【0096】
図８は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 図８は、Δ値の計算結果を表す。図８において、Ｃ１及びＣ２は、第１部分２１のみを第２強磁性層２０に設けた場合の計算結果である。一方、Ｃ３〜Ｃ５は、第１部分２１と第２部分２２とを第２強磁性層２０に設けた場合の計算結果である。また、Ｃ１は、第１部分２１の材料パラメータから解析的に求められる計算結果である。Ｃ２は、第１部分２１のみを第２強磁性層２０に設けた場合の、エネルギーバリアから求めた計算結果である。Ｃ３は、第１部分２１と第２部分２２との結合磁界の大きさを５ｋＯｅとしたときの計算結果である。Ｃ４は、第１部分２１と第２部分２２との結合磁界の大きさを６ｋＯｅとしたときの計算結果である。Ｃ５は、第１部分２１と第２部分２２との結合磁界の大きさを７ｋＯｅとしたときの計算結果である。
【0097】
図８に表したように、計算結果Ｃ１及び計算結果Ｃ２では、Δ値が、４０程度である。一方、計算結果Ｃ３〜計算結果Ｃ５では、Δ値が、６０程度である。このように、トリガ層を設けることで、全体のΔ値が向上していることがわかる。トリガ層を設けることで、良好な熱安定性が得られることがわかる。
【0098】
図９は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 図９は、外部印加磁界の周波数を変えた時に、磁化反転にかかった時間を計算したシミュレーション結果を表す。図９の横軸は、外部印加磁界の周波数Ｆｅｘｔ（ＧＨｚ）であり、縦軸は、磁化反転にかかった時間Ｔｒｖ（ナノ秒）である。また、図９において、Ｍ１は、第１部分２１のみを第２強磁性層２０に設けたモデルのシミュレーション結果である。Ｍ２は、第１部分２１と第２部分２２との結合磁界の大きさを５ｋＯｅとしたときのシミュレーション結果である。Ｍ３は、第１部分２１と第２部分２２との結合磁界の大きさを６ｋＯｅとしたときのシミュレーション結果である。
【0099】
図９に表したように、シミュレーション結果Ｍ３では、約２０ＧＨｚで共鳴が起きて磁化反転がアシストされていることがわかる。これに対して、第１部分２１単体での共鳴周波数は、約６０ＧＨｚである。
【0100】
図１０は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 図１０は、電流を通電した時の磁化の時間応答を表している。図１０の横軸は、電流の供給時間であり、縦軸は、第２強磁性層２０の磁化の状態を表している。また、図１０において、Ｍｚ１は、第１部分２１と第２部分２２とを第２強磁性層２０に設けたモデルに対して外部磁界を与えない時の挙動を表す。Ｍｚ２は、２１ＧＨｚの回転磁界を与えた時の挙動を表す。
【0101】
図１０に表したように、Ｍｚ１では、磁化反転にかかる時間が、約２．３ｎｓである。一方、Ｍｚ２では、磁化反転にかかる時間が、約１．５ｎｓである。このように、第１部分２１と第２部分２２とを設けた第２強磁性層２０では、外部磁界の印加によって、磁化反転にかかる時間が短くなる。また、Ｍｚ１では、第２部分２２が先に磁化反転した後、第１部分２１が磁化反転していて、それぞれ個別に反転している。一方、Ｍｚ２では、トリガ層である第２部分２２が先に磁化反転し、それに引きづられて記憶層である第１部分２１が磁化反転している。なお、両者が一体となって磁化反転してもよい。これにより、トリガ層の応答が記憶層の磁化反転をアシストし、実質的に磁気共鳴周波数を下げていることがわかる。
【0102】
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の第１積層部を例示する模式的断面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に表したように、第１積層部ＳＢ１において、第１部分２１及び第２部分２２の位置は、２通りある。
図１１（ａ）に表したように、第１強磁性層１０と第１部分２１との間に第２部分２２を設けてもよい。
図１１（ｂ）に表したように、第１強磁性層１０と第２部分２２との間に第１部分２１を設けてもよい。
図１１（ａ）は、例えば、第１強磁性層１０からのスピントルクによって第２部分２２の磁化２２ｍが反転することで、第１部分２１の磁化２１ｍの磁化反転がアシストされる構造である。図１１（ｂ）は、例えば、第２積層部ＳＢ２（ＳＴＯ）からの磁界によって第２部分２２の磁化２２ｍの歳差運動が増強され、第１部分２１の磁化２１ｍの磁化反転をアシストする構造である。
【0103】
このように、トリガ層を設けることによって、記憶層の共鳴周波数より低い周波数で磁化反転をアシストすることが可能となる。トリガ層を設けた場合の磁気共鳴周波数は、例えば、トリガ層の設計やトリガ層と記憶層との強磁性結合の大きさに依存する。
【0104】
図１２は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 図１２は、共鳴アシスト構造を利用した書き込み電流と読み出し電流の関係を表した図である。図１２の横軸は、ＳＴＯの発生磁界の周波数Ｆｒｍｆであり、縦軸は、磁気記憶部ＭＭＵに流れる電流である。また、図１２において、ＩＲは読み出し電流であり、ＩＷは書き込み電流である。共鳴アシスト構造では、共鳴することで、書き込みに必要となる電流が下がった状態で書き込みをすることで、読み出し時と書き込み時の電流マージン（Ｉｃ変化率ΔＩ）を拡大して、誤書き込みを防ぐことができる。トリガ層付き構造では、ＳＴＯの発生磁界の周波数Ｆｒｍｆを、例えば、３０ＧＨｚ以下へ下げることができるため、例えば、第２積層部ＳＢ２の材料選択性が増す。
【0105】
図１３は、第１の実施形態に係る磁気記憶部のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。 図１３は、磁気記憶部ＭＭＵに印加する外部磁界をＺ軸方向に変化させた時の磁気記憶部ＭＭＵの抵抗値の変化の一例を表す。図１３の横軸は、磁気記憶部ＭＭＵに印加する外部磁界Ｈｅｘｔであり、縦軸は、磁気記憶部ＭＭＵの抵抗値Ｒである。
【0106】
磁気記憶部において、磁気抵抗効果を高めるために界面層と呼ばれる部分を記憶層に隣接して設ける構成がある。特に、図１１（ａ）に示す構成の場合、トリガ層の位置は、界面層を設ける位置と類似している。界面層とトリガ層とは、磁気記憶素子の磁界に対する抵抗変化を見ることで識別可能である。
【0107】
図１３において、特性ＣＴ１１は、図１１（ａ）に示す構成の磁気記憶部の外部磁界Ｈｅｘｔと抵抗値Ｒとの関係を表す。特性ＣＴ１２は、図１１（ａ）に示す構成において、トリガ層を界面層に置き換えた構成の磁気記憶部の外部磁界Ｈｅｘｔと抵抗値Ｒとの関係を表す。
【0108】
図１３に表したように、界面層の場合、界面層と記憶層は一体となって磁界に応答するため、飽和磁界（Ｈｋ）まで抵抗値はほぼ一様に増大する。一方、トリガ層の場合、トリガ層が先に磁化飽和するため、トリガ層と記憶層のそれぞれにおいて飽和磁界が存在する。そのため、抵抗値は途中で傾きを変える挙動を示す。
【0109】
図１４は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。 図１４は、第２強磁性層２０にトリガ層がある場合とない場合における、外部磁界に対する書き込み電流の変化を表した図である。図１４の横軸は、外部磁界の周波数であり、縦軸は、磁化反転に必要であった電流密度である。
第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数は、例えば、積層体ＳＢ０の上下電極（例えば、第１導電層８１及び第２導電層８２）にプローブをあて、ダンピング測定法を利用して測定することができる。ダンピング測定法としては、例えば、H. Kubota et. al., Nature physics 4 (08) 37，または、J. Sankey et. al., Nature physics 4 (08) 67などに記載された方法を利用することができる。
【0110】
図１４において、特性ＣＴ２１は、実施形態に係る磁気記憶素子１１０の結果を表す。特性ＣＴ２２は、第２強磁性層２０に第１部分２１のみを設けた参考例の結果を表す。 図１４に表したように、トリガ層を設けていない参考例では、第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数が、５０ＧＨｚ付近である。一方、磁気記憶素子１１０では、第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数が、２０ＧＨｚ未満である。このように、第２強磁性層２０にトリガ層が設けられているか否かは、例えば、ダンピング測定法を利用して第２強磁性層２０の磁気共鳴周波数を測定することにより、判別することができる。
【0111】
図１５は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。 図１５は、第１部分２１の有効異方性磁界Ｈｋ１及び第２部分２２の有効異方性磁界Ｈｋ２の測定結果の一例を表す。図１５の横軸は、外部磁界であり、縦軸は、磁気記憶部の抵抗値Ｒである。
第１部分２１の有効異方性磁界Ｈｋ１及び第２部分２２の有効異方性磁界Ｈｋ２は、例えば、積層体ＳＢ０の上下電極にプローブをあて、容易軸方向と困難軸方向とにそれぞれ磁界を印加したときの磁気記憶部の抵抗を測定することで、求めることができる。この例において、容易軸方向は、積層方向ＳＤ１であり、困難軸方向は、面内方向ＳＤ２である。
【0112】
図１５に表したように、第１部分２１の有効異方性磁界Ｈｋ１は、例えば、飽和磁界に達したときの磁界の値である。第２部分２２の有効異方性磁界Ｈｋ２は、例えば、飽和磁界に達するまでに抵抗値の編曲した点の磁界の値である。
【0113】
第１部分２１の有効異方性磁界Ｈｋ１は、第２部分２２の有効異方性磁界Ｈｋ２と離れていることが望ましいが、一致している場合もある。また、容易軸方向におけるヒステリシスループは、角型比が８０％以上であることが望ましいが、角型とならない場合もある。
【0114】
図１６は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。 図１６は、第１部分２１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分２２の磁気共鳴周波数ｆ２の測定結果の一例を表す。図１６の横軸は、測定装置の測定周波数であり、縦軸は、測定装置の信号強度ＳＩである。
第１部分２１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分２２の磁気共鳴周波数ｆ２は、例えば、強磁性共鳴（ＦＭＲ：Ferromagnetic Resonance）測定装置などで測定することができる。ＦＭＲ測定では、例えば、積層体ＳＢ０の上下電極にプローブをあて、スペクトルを測定する。第２強磁性層２０に第１部分２１と第２部分２２とが設けられている場合には、第１部分２１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分２２の磁気共鳴周波数ｆ２のそれぞれに対応した２本以上のスペクトルが観察される。これにより、観察されたスペクトルの１つを第１部分２１の磁気共鳴周波数ｆ１、別の１つを第２部分２２の磁気共鳴周波数ｆ２として測定することができる。
【0115】
また、第１部分２１の磁気共鳴周波数ｆ１及び第２部分２２の磁気共鳴周波数ｆ２は、例えば、透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscopy：TEM)と電子エネルギー損失分光法(Electron Energy-Loss Spectroscopy：EELS)との組み合わせなどによる組成分析で積層体ＳＢ０に用いられている材料を同定し、それぞれの部分に該当する材料を用いた単層膜を作る。そして、その単層膜の磁気共鳴周波数をＦＭＲ測定などで測定することにより、より正確に求めることができる。
【0116】
以下、磁気記憶素子１１０の各層の構成の例について説明する。以下の説明は、実施形態に係る任意の磁気記憶素子に適用できる。
【0117】
第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属を含む合金を用いることができる。
【0118】
第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整する。これにより、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０において、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。例えば、第２強磁性層２０において、第１部分２１と第２部分２２とを形成することができる。また、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金を用いることができる。第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、例えば、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、及び、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、または、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０として用いることができる。第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０は、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及び、シリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。
【0119】
第１非磁性層１０ｎには、例えば、非磁性トンネルバリア層として機能する絶縁材料を用いることができる。具体的には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物又は弗化物を用いることができる。非磁性トンネルバリア層とは、例えば、絶縁体を含み、電圧を印加したときに、トンネル効果による電流（トンネル電流）の流れる非磁性の層である。非磁性トンネルバリア層の厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。これにより、電圧を印加したときに、非磁性トンネルバリア層にトンネル電流が流れる。
【0120】
第１非磁性層１０ｎには、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、または、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ等を用いることができる。第１非磁性層１０ｎには、例えば、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、これらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。
【0121】
第１非磁性層１０ｎの厚さは、約０．２ナノメートル（ｎｍ）以上２．０ｎｍ以下程度の範囲の値とすることが望ましい。これにより、例えば、絶縁膜の均一性を確保しつつ、抵抗が過度に高くなることが抑制される。
【0122】
第２非磁性層２０ｎには、例えば、非磁性トンネルバリア層及び非磁性金属層のうちのいずれかを用いることができる。
【0123】
第２非磁性層２０ｎとして、非磁性トンネルバリア層を用いる場合、第２非磁性層２０ｎには、例えば、第１非磁性層１０ｎに関して説明した材料と同じ材料を用いることができる。また、この場合、第２非磁性層２０ｎの厚さは、約０．２ｎｍ以上２．０ｎｍ程度の範囲の値とすることが望ましい。
【0124】
第２非磁性層２０ｎに用いられる非磁性金属層には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）及びビスマス（Ｂｉ）よりなる群から選択されたいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された少なくともいずれか２つ以上の元素を含む合金を用いることができる。第２非磁性層２０ｎとして非磁性金属層を用いる場合、第２非磁性層２０ｎの厚さは、１．５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下とすることが望ましい。これにより、磁性層間で層間結合せず、かつ、伝導電子のスピン偏極状態が非磁性金属層を通過する際に失われることを抑制することができる。
【0125】
第３強磁性層３０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む磁性金属を用いることができる。さらに、上記の群から選択された少なくともいずれかと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、を含む合金を用いてもよい。
【0126】
第３強磁性層３０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理を調整する。これにより、第３強磁性層３０において、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。また、第３強磁性層３０は、アルミニウム（Ａｌ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、ボロン（Ｂ）、及び、シリコン（Ｓｉ）などの添加物を含んでもよい。第３強磁性層３０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第３強磁性層３０に用いることができる。
【0127】
第４強磁性層４０には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む金属材料を用いることが好ましい。さらに、これらと、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素と、を含む合金を用いてもよい。
【0128】
第４強磁性層４０において、含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件などを調整することにより、例えば、磁化量や磁気異方性などの特性を調整することができる。第４強磁性層４０は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ、及び、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。第４強磁性層４０は、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。Ｃｏ／Ｒｕ、及び、Ｆｅ／Ａｕ、Ｎｉ／Ｃｕ等は、下地層との組み合わせで垂直磁化膜となる。膜の結晶配向方向を制御することで、Ｃｏ／Ｒｕ、Ｆｅ／Ａｕ及びＮｉ／Ｃｕ等を第４強磁性層４０として用いることができる。
【0129】
第３非磁性層３０ｎには、例えば、非磁性金属層が用いられる。 第３非磁性層３０ｎに用いられる非磁性金属層には、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された２つ以上の非磁性金属を含む合金を含むことができる。
【0130】
さらに、第３非磁性層３０ｎに用いられる非磁性金属層は、例えば、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。例えば、第３非磁性層３０ｎには、例えば、ＴｉＮ及びＴａＮなどを用いることができる。さらに、第３非磁性層３０ｎには、これらの材料の膜を積層させた積層膜を用いても良い。第３非磁性層３０ｎには、例えば、Ｔｉ膜／Ｒｕ膜／Ｔｉ膜の積層膜などを用いることができる。
【0131】
第３非磁性層３０ｎには、銅（Ｃｕ）などのスピン拡散長が長い材料、または、ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を用いることができる。ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を第３非磁性層３０ｎに用いることにより、流れる電子のスピン偏極を消失させ易くすることができる。
【0132】
第１導電層８１及び第２導電層８２には、例えば、導電性の磁性材料または導電性の非磁性材料が用いられる。導電性の磁性材料としては、例えば、第３強磁性層３０及び第４強磁性層４０に用いられる材料と実質的に同じ材料を挙げることができる。
【0133】
第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料には、例えば、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、上記の群から選択された２つ以上の金属を含む合金を用いることができる。
【0134】
さらに、第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、上記の群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、導電性窒化物、導電性酸化物及び導電性弗化物の少なくともいずれかでもよい。第１導電層８１及び第２導電層８２に用いられる導電性の非磁性材料は、カーボンナノチューブ、カーボンナノワイヤ及びグラフェンなどでもよい。
【0135】
第１導電層８１及び第２導電層８２に導電性の保護膜を設けてもよい。この場合、保護膜には、例えば、タンタル（Ｔａ）、ルテニウム（Ｒｕ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、または、グラフェンなどの材料を用いることができる。エレクトロマグレーション耐性及び低抵抗であることを考慮すると、保護膜には、銅（Ｃｕ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択されたいずれかの元素、または、これらを含む合金を用いることが望ましい。
【0136】
第１導電層８１及び第２導電層８２の少なくともいずれかに、トランジスタが直接または間接に接続される場合がある。このときには、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部が用いられても良い。また、このときには、第１導電層８１及び第２導電層８２の上記の少なくともいずれかには、例えば、そのトランジスタのソース部またはドレイン部に接続されるコンタクト部が用いられても良い。
【0137】
Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｘ−Ｙ平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状は、例えば、円形、楕円形、扁平円、及び、多角形などである。多角形とする場合には、四角形や六角形などの３つ以上の角を有することが好ましい。また、多角形は、角丸状でもよい。
【0138】
Ｚ軸に対して平行な平面（例えばＺ−Ｘ平面やＺ−Ｙ平面）に投影したときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。Ｚ軸に対して平行な平面に投影したときの第１積層部ＳＢ１の形状及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して垂直な面で切断した形状）は、例えば、テーパ形状または逆テーパ形状を有することができる。
【0139】
次に、第１の実施形態に係る磁気記憶素子１１０の製造方法の例について説明する。以下の製造方法は、磁気記憶素子１１０に加え、層の作製順を適宜変更することにより、実施形態に係る、後述する他の磁気記憶素子にも適用できる。また、以下の説明において、「材料Ａ／材料Ｂ」は、材料Ａの上に材料Ｂが積層されていることを指す。
【0140】
ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ（下部電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ層（トリガ層）、ＦｅＰｄ／ＣｏＦｅＢ層（記憶層）、及び、その上にＴａ／Ｒｕ層（コンタクト層、兼ストッパー層、兼第３非磁性層３０ｎ）を、この順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、ＦｅＰｄ／ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層との膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。続いて、ＦｅＰｔ／ＣｏＦｅＢ／Ｃｕ／Ｐｙ層（磁界発生部）、及び、Ｔａ／Ｒｕ層（上部コンタクト層、兼ストッパー層）をこの順に積層する。これにより、加工体が形成される。
【0141】
次に、ＥＢ（electron beam：電子線）レジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径５０ｎｍのレジストマスクを形成する。加工体のうちで、レジストで被覆されていない部分を、下部電極とのコンタクト層兼ストッパー層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【0142】
この後、保護絶縁層となるＳｉＮ膜を成膜し、積層体ＳＢ０を被覆する。
【0143】
次に、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）等で平坦化した後、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等で全面をエッチングすることで電極との上部コンタクト層を露出させる。
【0144】
さらに全面にレジストを塗布し、レジストの開口部が上部電極の位置に対応するように、ステッパ露光装置を用いてレジストをパターニングする。上部電極に対応する開口を埋め込むように、Ｃｕ膜を形成し、レジストを除去する。これにより、上部電極が形成される。上部電極に電気的に接続される配線（図示しない）が設けられる。 以上により、磁気記憶素子１１０が完成する。
【0145】
図１７は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。 図１７に表しように、磁気記憶素子１１１では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの向きが下向きであり、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの向きが上向きである。このように、磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きは、磁気記憶素子１１０の磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きに対して、それぞれ逆向きでもよい。
【0146】
磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１１の積層順では、例えば、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に第４強磁性層４０を配置する構成などに比べて、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離が近い。これにより、第３強磁性層３０で発生した回転磁界を、より適切に第２強磁性層２０に作用させることができる。第２強磁性層２０における磁化反転をより効率的にアシストすることができる。
【0147】
また、磁気記憶素子１１０及び磁気記憶素子１１１では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。これにより、例えば、第２強磁性層２０の位置において、第１強磁性層１０の磁化１０ｍ及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍに起因する漏洩磁界の影響を抑えることができる。
【0148】
磁気記憶素子１１０及び１１１において、第３非磁性層３０ｎにおいてスピン情報が保たれると、第３強磁性層３０は、第２強磁性層２０からのスピントランスファトルクの影響を受ける。このため、第３強磁性層３０の磁化回転の制御性が低下する場合がある。
【0149】
このとき、第３非磁性層３０ｎとして、例えばルテニウム（Ｒｕ）などのようなスピン拡散長の短い膜（スピン消失の機能を持つ材料）、または、スピン拡散長の短い構造を有する層を用いることが望ましい。これにより、第３強磁性層３０の磁化回転の制御性の低下を抑制できる。
【0150】
すなわち、第３強磁性層３０の磁化３０ｍが歳差運動をするためのスピントランスファトルクの大きさは、第４強磁性層４０でのスピン偏極で決まる。この構成においては、他の電子のスピンの影響（スピントランスファトルク）を受けることなく、第３強磁性層３０の磁化３０ｍを独立に制御することが可能となる。
【0151】
第３非磁性層３０ｎのための、このようなスピン消失効果が得られる材料としては、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、これらの群から選択された２つ以上を含む合金を挙げることができる。
【0152】
第３非磁性層３０ｎの厚さは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが層間磁気結合しない値に設定されることが望ましい。具体的には、第３非磁性層３０ｎの厚さは、１．４ｎｍ以上に設定することが望ましい。
【0153】
第３非磁性層３０ｎの厚さが１．４ｎｍ以上であると、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０とが層間結合せず、かつ、第３非磁性層３０ｎにおいて、伝導電子が第３非磁性層３０ｎの内部及び界面を通過する際にスピン偏極度を消失させることができる。さらに、第２強磁性層２０の磁化２１ｍ及び磁化２２ｍの向きにより第３強磁性層３０の歳差運動が変化することを、第３非磁性層３０ｎにより防ぐことができる。
【0154】
一方、第３非磁性層３０ｎの厚さが２０ｎｍを超えると、多層膜のピラー形成が困難となる。さらに、第３強磁性層３０から発生する回転磁界の強度が、第２強磁性層２０の位置で減衰する。そのため、第３非磁性層３０ｎの厚さは、２０ｎｍ以下に設定されることが望ましい。
【0155】
第３非磁性層３０ｎとして、前述した単層膜の他に、積層膜を用いることができる。この積層膜は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された２つ以上を含む合金を含む層と、その層の少なくとも片側に積層された銅（Ｃｕ）層と、の積層構成を有することができる。
【0156】
さらに、第３非磁性層３０ｎに用いられる積層膜は、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）及びバナジウム（Ｖ）よりなる群から選択された金属、または、その群から選択された２つ以上を含む合金を含む第１層と、第１層の少なくとも片側に積層され、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、チタン（Ｔｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）及びルテニウム（Ｒｕ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む第２層と、を含む積層構成を有することができる。
【0157】
図１８は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。 図１８に表しように、磁気記憶素子１１２では、第２強磁性層２０が、第４非磁性層４０ｎをさらに含む。第４非磁性層４０ｎは、第１部分２１と第２部分２２との間に設けられる。このように、第１部分２１の磁化２１ｍは、第４非磁性層４０ｎを介して第２部分２２の磁化２２ｍと強磁性結合させてもよい。
【0158】
第４非磁性層４０ｎには、例えば、非磁性金属層が用いられる。 第４非磁性層４０ｎに用いられる非磁性金属層には、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、ガリウム（Ｇａ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、イリジウム（Ｉｒ）及びオスミウム（Ｏｓ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの非磁性金属、または、上記の群から選択された２つ以上の元素を含む合金を用いることができる。
【0159】
第４非磁性層４０ｎには、銅（Ｃｕ）などのスピン拡散長が長い材料、または、ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を用いることができる。スピン偏極した電子が挿入される効果を消去したい場合には、ルテニウム（Ｒｕ）などのスピン拡散長が短い材料を、第４非磁性層４０ｎに用いることが望ましい。
【0160】
図１９（ａ）〜図１９（ｊ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を例示する模式的断面図である。 図１９（ａ）〜図１９（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１２６では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第３非磁性層３０ｎ、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ａ）〜図１９（ｆ）に表した順序でもよい。
【0161】
磁気記憶素子１２１及び磁気記憶素子１２２では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。これにより、例えば、第２強磁性層２０の位置において、第１強磁性層１０の磁化１０ｍ及び第４強磁性層４０の磁化４０ｍに起因する漏洩磁界の影響を抑えることができる。
【0162】
磁気記憶素子１２１及び磁気記憶素子１２２において、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０とは、第３非磁性層３０ｎを介して反強磁性結合していても良い。このように、非磁性層を介して互いの磁化の方向が反強磁性結合し反平行となる構造は、シンセティックアンチフェロ（ＳＡＦ：Synthetic Anti-Ferromagnetic）構造と呼ばれる。この例では、「第１の磁性層（例えば第１強磁性層１０）／非磁性層（例えば第３非磁性層３０ｎ）／第２の磁性層（例えば第４強磁性層４０）」の積層構造が、ＳＡＦ構造に対応する。
【0163】
ＳＡＦ構造を用いることにより、互いの磁化固定力が増強され、外部磁界に対する耐性、及び、熱的な安定性を向上させることができる。この構造においては、磁気記憶層（例えば第２強磁性層２０）の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を実質的にゼロにすることができる。
【0164】
ＳＡＦ構造における非磁性層（中間層）には、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）またはオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、例えば、３ｎｍ以下に設定される。これにより、非磁性層を介して十分強い反強磁性結合が得られる。
【0165】
すなわち、第３非磁性層３０ｎは、例えば、ルテニウム（Ｒｕ）、オスミウム（Ｏｓ）、及び、イリジウム（Ｉｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、前記群から選択された少なくとも２つ以上の金属を含む合金を含む。第３非磁性層３０ｎの厚さは、例えば、３ｎｍ以下である。
【0166】
磁気記憶素子１２３及び磁気記憶素子１２４では、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きが、第４強磁性層４０の磁化４０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して同じである。このように、磁化１０ｍの向きは、磁化４０ｍの向きと平行でもよい。
【0167】
磁気記憶素子１２５及び磁気記憶素子１２６では、磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きが、積層方向ＳＤ１に対して傾いている。磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きは、積層方向ＳＤ１に対して平行でなくてもよい。磁化１０ｍの向き及び磁化４０ｍの向きは、少なくとも積層方向ＳＤ１の成分を有していればよい。
【0168】
図１９（ｇ）及び図１９（ｈ）に表しように、磁気記憶素子１２７及び磁気記憶素子１２８では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第３非磁性層３０ｎ、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ｇ）及び図１９（ｈ）に表した順序でもよい。
【0169】
図１９（ｉ）及び図１９（ｊ）に表しように、磁気記憶素子１２９及び磁気記憶素子１３０では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第３非磁性層３０ｎ、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。このように、積層体ＳＢ０の積層順は、図１９（ｉ）及び図１９（ｊ）に表した順序でもよい。
【0170】
磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１３０において、第１導電層８１と第２導電層８２とを介して積層体ＳＢ０に書き込み電流ＩＷを流す。書き込み電流ＩＷの向きは任意である。第４強磁性層４０の磁化４０ｍの向きとは逆向きの磁界を印加することにより、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きと、第２強磁性層２０の第１部分２１の磁化２１ｍが歳差運動する向きと、を互いに一致させることができる。
【0171】
図２０は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図２０に表したように、磁気記憶素子１３１は、磁気シールド５１をさらに含む。積層体ＳＢ０は、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ０を有する。第１積層部ＳＢ１は、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ１（第１側面）を有する。第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳ２（第２側面）を有する。第３非磁性層３０ｎは、積層方向ＳＤ１に延びる側面ＳＳｎを有する。ここで、「積層方向ＳＤ１に延びる」には、積層方向ＳＤ１に対して非平行な状態も含むものとする。「積層方向ＳＤ１に延びる」は、少なくとも積層方向ＳＤ１に延びる成分を有していればよい。すなわち、「積層方向ＳＤ１に延びる面」とは、積層方向ＳＤ１に対して直交する面でなければよい。
【0172】
磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部を覆う。換言すれば、磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０の少なくとも一部と対向する。積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０は、例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１（第１側面）と、第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２（第２側面）と、第３非磁性層３０ｎの側面ＳＳｎと、を含む。この例において、磁気シールド５１は、側面ＳＳ１と側面ＳＳ２と側面ＳＳｎとを覆う。Ｘ−Ｙ平面に投影した磁気シールド５１の形状は、例えば、積層体ＳＢ０を囲む環状である。
【0173】
磁気記憶素子１３１は、積層体ＳＢ０の側面ＳＳ０と磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに含む。保護層５２の厚さは、第２強磁性層２０のＺ軸方向の中心から第３強磁性層３０のＺ軸方向の中心までのＺ軸方向の距離と実質的に同じ長さか、それよりも長いことが望ましい。第２強磁性層２０のＺ軸方向の中心と第３強磁性層３０のＺ軸方向の中心との間のＺ軸方向の距離は、例えば、磁気記憶素子１１０の構成及び磁気記憶素子１１１の構成において最も近づき、磁気記憶素子１２１〜磁気記憶素子１２６の構成において最も離れる。保護層５２の厚さは、例えば、２ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが望ましい。
【0174】
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面ＳＳ１及び第２積層部ＳＢ２の側面ＳＳ２が、ＳｉＮやＡｌ２Ｏ３などの保護層５２を介して、パーマロイ（Ｐｙ）などの磁気シールド５１により覆われる。これにより、例えば、複数の磁気記憶素子１３１が並べられた場合において、隣の磁気記憶素子１３１からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に悪影響を与えることが抑制される。例えば、各記憶セル（積層体ＳＢ０）において、第１積層部ＳＢ１に作用する有効磁界が実質的に同じであるため、ビット間の反転電流のばらつきが抑制される。第２積層部ＳＢ２についても発振電流のばらつきが同様に抑えられる。また、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２からの漏洩磁界が、隣の磁気記憶素子に作用することを抑制することができる。その結果、複数の磁気記憶素子どうしを近接して配置することができ、集積度を向上することができる。例えば、不揮発性記憶装置の記憶密度を向上させることができる。
【0175】
磁気シールド５１には、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択されたいずれかの金属、または、この群から選択された２つ以上の金属を含む合金が用いられる。磁気シールド５１は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）及びロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの金属と、を含む合金でもよい。
【0176】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理の条件を調整することにより、磁気シールド５１の特性を調整することができる。磁気シールド５１は、例えば、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金でもよい。また、磁気シールド５１には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いてもよい。
【0177】
保護層５２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む、酸化物、窒化物または弗化物を用いることができる。保護層５２には、例えば、ＳｉＮが用いられる。
【0178】
以下、図２０に例示した磁気記憶素子１３１の製造方法の例について説明する。 まず、ウェーハ上に下部電極（図示せず）を形成した後、そのウェーハを超高真空スパッタ装置内に配置する。次に、下部電極上に、Ｔａ／Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパー層）、ＣｏＦｅＢ層（トリガ層）、ＦｅＰｄ／ＣｏＦｅＢ層（記憶層）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、Ｒｕ（第３非磁性層３０ｎ）、ＦｅＰｔ／ＣｏＦｅＢ／Ｃｕ／Ｐｙ層（磁界発生部）および、その上にＴａ（電極とのコンタクト層）による層をこの順に積層させる。ここで、磁界中でアニールすることによって、ＦｅＰｄ／ＣｏＦｅＢ層とＣｏＦｅＢ／ＦｅＰｔ層の膜面垂直方向の磁気異方性の強さを調節することもできる。
【0179】
次に、ＥＢレジストを塗布してＥＢ露光を行い、直径５０ｎｍのレジストマスクを形成する。イオンミリングによってレジストで被覆されていない部分を、ストッパー層を兼ねた下部電極上のＴａ層が露出するまで削る。
【0180】
続いて、保護層５２としてＳｉＮ層を形成した後、磁気シールド５１として機能するＰｙ層を形成する。エッチバックにより、Ｐｙ層が磁気記憶素子の側壁に残るようにする。
【0181】
次に、磁気記憶素子を絶縁埋め込みすべくＳｉＯ２膜を成膜した後、ＣＭＰ等で平坦化した後、ＲＩＥ等で全面をエッチングすることで電極とのコンタクト層を露出させる。
【0182】
さらに全面にレジストを塗布し、このレジストを上部電極の位置にレジストが被覆されない部分ができるように、ステッパ露光装置を用いてパターニングする。上部電極に対応した開口をＣｕで埋め込み成膜し、レジストを除去する。上部電極には、図示しない配線を設けて電気的入出力ができるようにする。 以上により、磁気記憶素子１３１が完成する。
【0183】
図２１（ａ）及び図２１（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図２１（ａ）及び図２１（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１３２及び磁気記憶素子１３３においては、第４強磁性層４０及び第３非磁性層３０ｎが省略されている。磁気記憶素子１３２及び磁気記憶素子１３３においては、第１積層部ＳＢ１と第３強磁性層３０との間に、第２非磁性層２０ｎが設けられる。磁気記憶素子１３２においては、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第１強磁性層１０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層される。磁気記憶素子１３３においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０が、この順に積層される。
【0184】
磁気記憶素子１３２及び磁気記憶素子１３３においては、第１強磁性層１０が、ＭＴＪの磁化固着層として用いられるとともに、ＳＴＯの磁化固着層としても用いられる。磁気記憶素子１３２及び磁気記憶素子１３３においても、例えば、第２強磁性層２０にトリガ層を設けることによって、誤動作を抑制することができる。不揮発性記憶装置６１０における誤動作を抑制することができる。このように、第４強磁性層４０及び第３非磁性層３０ｎは、磁気記憶素子において必要に応じて設けられ、省略可能である。
【0185】
図２２（ａ）及び図２２（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図２２（ａ）に表したように、磁気記憶素子１３４では、第２積層部ＳＢ２の幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）が、上方向に向かうに従って連続的に減少する。すなわち、第２積層部ＳＢ２の形状は、テーパ状である。第２積層部ＳＢ２の形状は、例えば、錐台状である。第２強磁性層２０などのＸ−Ｙ平面に投影した形状は、例えば、円形である。従って、第２積層部ＳＢ２の形状は、例えば、円錐台状である。従って、この例では、第２積層部ＳＢ２の積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さが、第２強磁性層２０の積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さよりも短い。例えば、第３強磁性層３０の積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さが、第２強磁性層２０の積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さよりも短い。
【0186】
磁気記憶素子１３４では、例えば、磁気記憶素子１３３などに比べて、例えば、ＳＴＯのΔ値を小さくすることができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０の磁化３０ｍをより歳差運動させ易くすることができる。
【0187】
図２２（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１３５では、積層体ＳＢ０の幅が、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向において減少する。すなわち、磁気記憶素子１３５では、第１積層部ＳＢ１も、テーパ状である。磁気記憶素子１３５では、第１強磁性層１０の幅が、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向において減少する。例えば、第１強磁性層１０の幅が、連続的に減少する。この例では、第１強磁性層１０の幅が、上方向に向かうに従って連続的に減少する。第１強磁性層１０の形状は、例えば、錐台状である。このように、第１積層部ＳＢ１を、テーパ状としてもよい。
【0188】
図２３は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図２３に表したように、磁気記憶素子１４１では、第１積層部ＳＢ１が、第５強磁性層５０と第５非磁性層５０ｎとをさらに含む。
【0189】
磁気記憶素子１４１では、第２強磁性層２０と第５強磁性層５０との間に第１強磁性層１０が設けられる。第５非磁性層５０ｎは、第１強磁性層１０と第５強磁性層５０との間に設けられる。磁気記憶素子１４１では、第５強磁性層５０、第５非磁性層５０ｎ、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ、第２強磁性層２０、第３非磁性層３０ｎ、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０が、この順に積層されている。
【0190】
第５強磁性層５０には、例えば、第４強磁性層４０に関して説明した材料を用いることができる。第５非磁性層５０ｎには、例えば、第３非磁性層３０ｎに関して説明した材料を用いることができる。
【0191】
第５強磁性層５０の磁化５０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きは、第１強磁性層１０の磁化１０ｍの積層方向ＳＤ１の成分の向きに対して逆である。例えば、磁化１０ｍに起因する漏洩磁界が、磁化５０ｍに起因する逆向きの漏洩磁界によって弱められる。例えば、磁化１０ｍに起因する漏洩磁界が、磁化５０ｍに起因する漏洩磁界によって打ち消される。これにより、第２強磁性層２０への漏洩磁界の影響をより適切に抑えることができる。
【0192】
図２４（ａ）及び図２４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式図である。 図２４（ａ）は、磁気記憶素子１４２の模式的平面図であり、図２４（ｂ）は、磁気記憶素子１４２の模式的断面図である。図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のＡ１−Ａ２線断面を模式的に表す。
図２４（ａ）及び図２４（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１４２では、第２強磁性層２０、第１非磁性層１０ｎ、第２積層部ＳＢ２及び第３非磁性層３０ｎが、それぞれ複数設けられている。複数の第２強磁性層２０は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向に並ぶ。この例では、複数の第２強磁性層２０が、Ｙ軸方向に並ぶ。複数の第１非磁性層１０ｎのそれぞれは、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０とのそれぞれの間に設けられる。複数の第２積層部ＳＢ２のそれぞれは、複数の第２強磁性層２０のそれぞれと積層される。複数の第３非磁性層３０ｎのそれぞれは、複数の第２強磁性層２０と複数の第２積層部ＳＢ２とのそれぞれの間に設けられる。
【0193】
磁気記憶素子１４２では、第１強磁性層１０の上に複数の第１非磁性層１０ｎが並べて設けられる。複数の第２強磁性層２０が、複数の第１非磁性層１０ｎのそれぞれの上に設けられる。複数の第３非磁性層３０ｎが、複数の第２強磁性層２０のそれぞれの上に設けられる。複数の第２積層部ＳＢ２が、複数の第３非磁性層３０ｎのそれぞれの上に設けられる。
【0194】
磁気記憶素子１４２では、第１強磁性層１０が、第２強磁性層２０や第３強磁性層３０などに比べて大きい。これにより、例えば、第２強磁性層２０の位置において、第１強磁性層１０の磁化１０ｍに起因する漏洩磁界を小さくすることができる。
【0195】
図２５（ａ）及び図２５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図２５（ａ）に表したように、磁気記憶素子１４３では、積層部分ＳＰの幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）が、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向において減少する。例えば、積層部分ＳＰの幅が、連続的に減少する。
【0196】
積層部分ＳＰは、例えば、複数の第２強磁性層２０のうちの１つと、この１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第１非磁性層１０ｎと、前記１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第２積層部ＳＢ２と、前記１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第３非磁性層３０ｎと、を含む。
【0197】
この例では、積層部分ＳＰの幅が、上方向に向かうに従って連続的に減少する。すなわち、積層部分ＳＰの形状は、テーパ状である。積層部分ＳＰの形状は、例えば、錐台状である。第２強磁性層２０などのＸ−Ｙ平面に投影した形状は、例えば、円形である。従って、積層部分ＳＰの形状は、例えば、円錐台状である。従って、この例では、複数の第２積層部ＳＢ２のそれぞれの積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さが、複数の第２強磁性層２０のそれぞれの積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さよりも短い。例えば、第３強磁性層３０の積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さが、第２強磁性層２０の積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さよりも短い。
【0198】
磁気記憶素子１４３では、例えば、磁気記憶素子１４２などに比べて、第４強磁性層４０を小さくすることができる。これにより、例えば、第２強磁性層２０の位置において、第４強磁性層４０の磁化４０ｍに起因する漏洩磁界を小さくすることができる。また、磁気記憶素子１４３では、例えば、ＳＴＯのΔ値を小さくすることができる。これにより、例えば、第３強磁性層３０の磁化３０ｍをより歳差運動させ易くすることができる。この例では、第２強磁性層２０などもテーパ状にしている。これに限ることなく、少なくとも第３強磁性層３０の幅が、第２強磁性層２０の幅よりも狭ければよい。これにより、ＳＴＯのΔ値を小さくできる。
【0199】
図２５（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１４４では、第１強磁性層１０の幅（積層方向ＳＤ１に対して垂直な方向の長さ）が、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向において減少する。例えば、第１強磁性層１０の幅が、連続的に減少する。この例では、第１強磁性層１０の幅が、上方向に向かうに従って連続的に減少する。すなわち、第１強磁性層１０の形状は、テーパ状である。第１強磁性層１０の形状は、例えば、錐台状である。このように、第１強磁性層１０の形状を、テーパ状としてもよい。
【0200】
図２６（ａ）〜図２６（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的断面図である。 図２６（ａ）〜図２６（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１４５〜磁気記憶素子１４７では、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０との間に、１つの第１非磁性層１０ｎが設けられる。磁気記憶素子１４５〜磁気記憶素子１４７では、第１強磁性層１０の上に第１非磁性層１０ｎが設けられる。複数の第２強磁性層２０が、第１非磁性層１０ｎの上に並べて設けられる。複数の第３非磁性層３０ｎが、複数の第２強磁性層２０のそれぞれの上に設けられる。複数の第２積層部ＳＢ２が、複数の第３非磁性層３０ｎのそれぞれの上に設けられる。
【0201】
磁気記憶素子１４５〜磁気記憶素子１４７において、積層部分ＳＰは、例えば、複数の第２強磁性層２０のうちの１つと、この１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第２積層部ＳＢ２と、前記１つの第２強磁性層２０と積層された１つの第３非磁性層３０ｎと、を含む。
【0202】
このように、１つの第１強磁性層１０に複数の積層部分ＳＰを積層させる構成において、第１非磁性層１０ｎは、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０とのそれぞれの間に複数設けてもよいし、第１強磁性層１０と複数の第２強磁性層２０との間に１つ設けてもよい。
【0203】
磁気記憶素子１４６では、積層部分ＳＰの形状がテーパ状である。このように、１つの積層部分ＳＰを設ける構成において、積層部分ＳＰの形状をテーパ状としてもよい。
【0204】
磁気記憶素子１４７では、第１強磁性層１０の幅及び第１非磁性層１０ｎの幅が、第１積層部ＳＢ１から第２積層部ＳＢ２に向かう方向において連続的に減少する。このように、第１強磁性層１０の形状及び第１非磁性層１０ｎの形状を、テーパ状としてもよい。
【0205】
（第２の実施形態） 図２７は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。
図２７に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置６２０は、メモリセルアレイＭＣＡを備える。メモリセルアレイＭＣＡは、マトリクス状に配列された複数のメモリセルＭＣを有する。各メモリセルＭＣは、第１の実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、ＭＴＪ素子（積層体ＳＢ０）として有する。
【0206】
メモリセルアレイＭＣＡには、複数のビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）及び、複数のワード線ＷＬが配置されている。複数のビット線対のそれぞれは、列（カラム）方向に延在する。複数のワード線ＷＬのそれぞれは、行（ロウ）方向に延在する。
【0207】
ビット線ＢＬとワード線ＷＬとの交差部分に、メモリセルＭＣが配置される。各メモリセルＭＣは、ＭＴＪ素子と選択トランジスタＴＲとを有する。ＭＴＪ素子の一端は、ビット線ＢＬに接続されている。ＭＴＪ素子の他端は、選択トランジスタＴＲのドレイン端子に接続されている。選択トランジスタＴＲのゲート端子は、ワード線ＷＬに接続されている。選択トランジスタＴＲのソース端子は、ビット線／ＢＬに接続されている。
【0208】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ６２１が接続されている。ビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）には、書き込み回路６２２ａ及び読み出し回路６２２ｂが接続されている。書き込み回路６２２ａ及び読み出し回路６２２ｂには、カラムデコーダ６２３が接続されている。
【0209】
各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ６２１及びカラムデコーダ６２３により選択される。メモリセルＭＣへのデータ書き込みの例は、以下である。まず、データ書き込みを行うメモリセルＭＣを選択するために、このメモリセルＭＣに接続されたワード線ＷＬが活性化される。これにより、選択トランジスタＴＲがオンする。
【0210】
この例では、例えば、ロウデコーダ６２１、書き込み回路６２２ａ、読み出し回路６２２ｂ、及び、カラムデコーダ６２３によって、制御部５５０が構成される。制御部５５０は、ビット配線ＢＬ、ワード配線ＷＬ及び選択トランジスタＴＲなどを介して、複数のメモリセルＭＣ（複数の磁気記憶素子）のそれぞれと電気的に接続される。制御部５５０は、複数のメモリセルＭＣのそれぞれに対して、データの書き込み及びデータの読み出しを実施する。
【0211】
ＭＴＪ素子には、例えば、双方向の書き込み電流が供給される。具体的には、ＭＴＪ素子に左から右へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線ＢＬに正の電位を印加し、ビット線／ＢＬに接地電位を印加する。また、ＭＴＪ素子に右から左へ書き込み電流を供給する場合、書き込み回路６２２ａは、ビット線／ＢＬに正の電位を印加し、ビット線ＢＬに接地電位を印加する。このようにして、メモリセルＭＣに、データ「０」、または、データ「１」を書き込むことができる。
【0212】
メモリセルＭＣからのデータ読み出しの例は、以下である。まず、メモリセルＭＣが選択される。読み出し回路６２２ｂは、ＭＴＪ素子に、例えば、選択トランジスタＴＲからＭＴＪ素子に向かう方向に流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路６２２ｂは、この読み出し電流に基づいて、ＭＴＪ素子の抵抗値を検出する。このようにして、ＭＴＪ素子に記憶された情報を読み出すことができる。
【0213】
図２８は、第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置の構成を例示する模式図である。 図２８は、１つのメモリセルＭＣの部分を例示している。この例では、磁気記憶素子１１０が用いられているが、実施形態に係る任意の磁気記憶素子を用いることができる。
【0214】
図２８に表したように、不揮発性記憶装置６２０は、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０）と、第１配線９１と、第２配線９２と、を備える。第１配線９１は、磁気記憶素子１１０の一端（例えば第１積層部ＳＢ１の端）に、直接または間接に接続される。第２配線９２は、磁気記憶素子１１０の他端（例えば第２積層部ＳＢ２の端）に直接または間接に接続される。
【0215】
ここで、「直接に接続される」は、間に他の導電性の部材（例えばビア電極や配線など）が挿入されないで電気的に接続される状態を含む。「間接に接続される」は、間に他の導電性の部材（例えばビア電極や配線など）が挿入されて電気的に接続される状態、及び、間にスイッチ（例えばトランジスタなど）が挿入されて、導通と非導通とが可変の状態で接続される状態を含む。
【0216】
第１配線９１及び第２配線９２のいずれか一方は、例えば、ワード線ＷＬに対応する。 第１配線９１及び第２配線９２のいずれか他方は、例えば、ビット線ＢＬまたはビット線／ＢＬに対応する。
【0217】
図２８に表したように、不揮発性記憶装置６２０は、選択トランジスタＴＲをさらに備えることができる。選択トランジスタＴＲは、磁気記憶素子１１０と第１配線９１との間（第１の位置）、及び、磁気記憶素子１１０と第２配線９２の間（第２の位置）の少なくともいずれかに設けられる。
【0218】
このような構成により、メモリセルアレイＭＣＡの任意のメモリセルＭＣ（例えば磁気記憶素子１１０）にデータを書き込み、また、磁気記憶素子１１０に書き込まれたデータを読み出すことができる。このように構成された不揮発性記憶装置６２０においても、第２強磁性層２０にトリガ層を設けることで、誤動作を抑制することができる。
【0219】
実施形態によれば、誤動作を抑制した磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【0220】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【0221】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置に含まれる、制御部、積層体、第１及び第２積層部、第１〜第５強磁性層、第１〜第５非磁性層、磁気シールド、第１配線、第２配線及び選択トランジスタなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
【0222】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【0223】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【0224】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【0225】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0226】
１０…第１強磁性層、 １０ａ…主面、 １０ｎ…第１非磁性層、 １０ｍ…磁化、 ２０…第２強磁性層、 ２１…第１部分、 ２１ｍ…磁化、 ２２…第２部分、 ２２ｍ…磁化、 ２０ｎ…第２非磁性層、 ３０…第３強磁性層、 ３０ｍ…磁化、 ３０ｎ…第３非磁性層、 ４０…第４強磁性層、 ４０ｍ…磁化、 ４０ｎ…第４非磁性層、 ５０…第５強磁性層、 ５０ｎ…第５非磁性層、 ５０ｍ…磁化、 ５１…磁気シールド、 ５２…保護層、 ６０…電子電流、 ６１…センス電流、 ７２…磁化、 ７２ａ、７２ｂ…磁化成分、 ８１…第１導電層、 ８２…第２導電層、 ９１…第１配線、 ９２…第２配線、 １１０〜１１２、１２１〜１３５、１４１〜１４７…磁気記憶素子、 ５５０…制御部、 ６１０、６２０…不揮発性記憶装置、 ６２１…ロウデコーダ、 ６２２ａ…書き込み回路、 ６２２ｂ…読み出し回路、 ６２３…カラムデコーダ、 ＢＬ、／ＢＬ…ビット線、 ＭＣ…メモリセル、 ＭＣＡ…メモリセルアレイ部、 ＭＭＵ…磁気記憶部、 ＳＢ０…積層体、 ＳＢ１、ＳＢ２…第１、第２積層部、 ＳＤ１…積層方向、 ＳＤ２…面内方向、 ＳＰ…積層部分、 ＳＳ０〜ＳＳ２、ＳＳｎ…側面、 ＴＲ…選択トランジスタ、 ＷＬ…ワード線