特許 7251811 磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法

(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】

(24)【登録日】2023-03-27

(45)【発行日】2023-04-04

(54)【発明の名称】磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20230328BHJP

   H10N 50/20 20230101ALI20230328BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20230328BHJP

   G11C 11/16 20060101ALI20230328BHJP

   G11C 11/18 20060101ALI20230328BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10N50/20

H10N50/10 M

G11C11/16 240

G11C11/16 230

G11C11/18

【請求項の数】 30

(21)【出願番号】P 2020514123

(86)(22)【出願日】2019-04-11

(86)【国際出願番号】 JP2019015858

(87)【国際公開番号】W WO2019203132

(87)【国際公開日】2019-10-24

【審査請求日】2022-02-18

(31)【優先権主張番号】P 2018080252

(32)【優先日】2018-04-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

【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２８年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 好昭

(72)【発明者】

【氏名】池田 正二

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 英夫

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 哲郎

【審査官】小山 満

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１７／０９０７３０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１７－１９９７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－０５９６７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１０／０２４２０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１２２９９５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－０４５１９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０３５１０８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】欧州特許出願公開第０３３８２７６７（ＥＰ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／００７７１７７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／００５６０６０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０２２５４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５２０２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２０８８８０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

Ｇ１１Ｃ １１／１６

Ｇ１１Ｃ １１／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

エピタキシャル層である重金属層と、
面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記重金属層は、Ｗ－Ｈｆ、Ｗ－Ｔａ、Ｐｔ－Ａｕ、Ｐｔ－Ｉｒ又はＰｄ－Ｒｈの少なくとも１種類からなる
磁気抵抗効果素子。

【請求項2】

前記記録層は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが強磁性層である積層膜である
請求項１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項3】

前記記録層は、非磁性層を挟んだ強磁性層間に層間相互作用を有している
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項4】

前記記録層の最も前記重金属層側の層又は最も前記障壁層側の層の少なくとも１つが、前記記録層の他の強磁性層よりも薄い
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項5】

前記記録層は、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層がこの順に積層された積層膜であり、前記第１強磁性層及び前記第３強磁性層が、前記第２強磁性層よりも薄い
請求項４に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項6】

最も前記障壁層側の層がＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ又はＣｏ－Ｂのアモルファス層であり、
前記アモルファス層と接する非磁性層が、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む合金でなる
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項7】

前記記録層の前記非磁性層が、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む合金でなる
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項8】

前記接合部は、
前記記録層の最も前記障壁層側の層と前記参照層の磁化方向が平行のとき、前記参照層から、前記記録層の最も前記障壁層側の層に、書き込み補助電流が流れ、
前記記録層の最も前記障壁層側の層と前記参照層の磁化方向が反平行のとき、前記記録層の最も前記障壁層側の層から、前記参照層に、前記書き込み補助電流が流れる
請求項２に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項9】

エピタキシャル層である重金属層と、
面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記記録層は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが強磁性層である積層膜であり、
前記記録層の最も前記重金属層側の層又は最も前記障壁層側の層の少なくとも１つが、前記記録層の他の強磁性層よりも薄く、
前記記録層は、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層がこの順に積層された積層膜であり、前記第１強磁性層及び前記第３強磁性層が、前記第２強磁性層よりも薄く、
前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とが異なる材料で構成されている
磁気抵抗効果素子。

【請求項10】

エピタキシャル層である重金属層と、
面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記重金属層は、（１００）方向に配向したＭｇＯ層上にエピタキシャル成長したエピタキシャル層である
磁気抵抗効果素子。

【請求項11】

エピタキシャル層である重金属層と、
面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記重金属層は、（１００）方向に配向したＭｇＯ層に隣接しており、前記ＭｇＯ層と前記重金属層との界面で、前記ＭｇＯ層の格子と前記重金属層の格子が整合している
磁気抵抗効果素子。

【請求項12】

エピタキシャル層であり、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｐｂ又はこれらの元素を含む合金である重金属層と、
面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をする
磁気抵抗効果素子。

【請求項13】

重金属層と、
前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記記録層は、
強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、エピタキシャル層である強磁性層を含む積層膜であり、
最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが面内方向に磁化した強磁性層であり、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記記録層の最も前記重金属層側の層が、前記記録層の他のすべての強磁性層よりも薄い
磁気抵抗効果素子。

【請求項14】

エピタキシャル層である重金属層と、
面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記記録層は、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層がこの順に積層された積層膜であり、前記第１強磁性層及び前記第３強磁性層が、前記第２強磁性層よりも薄く、
前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とが異なる材料で構成されている
磁気抵抗効果素子。

【請求項15】

重金属層と、
前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記記録層は、
第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層がこの順に積層され、エピタキシャル層である強磁性層を含む積層膜であり、
最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが面内方向に磁化した強磁性層であり、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をし、
前記第１強磁性層及び前記第３強磁性層が、前記第２強磁性層よりも薄く、
前記第１非磁性層と前記第２非磁性層とが異なる材料で構成されている
磁気抵抗効果素子。

【請求項16】

重金属層と、
前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部と
を備え、
前記記録層は、
強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが強磁性層である積層膜であり、
前記強磁性層が面内方向に磁化しており、
前記記録層の最も前記重金属層側の層が、前記記録層の他の前記強磁性層よりも薄く、
前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をする
磁気抵抗効果素子。

【請求項17】

前記記録層は、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、第２非磁性層、第３強磁性層がこの順に積層された積層膜であり、前記第１強磁性層及び前記第３強磁性層が、前記第２強磁性層よりも薄い
請求項１６に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項18】

前記接合部のアスペクト比が１．５以下である
請求項１～１７のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項19】

前記参照層は、積層フェリ構造の積層膜である
請求項１～１８のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項20】

前記参照層が、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む合金でなる非磁性層を有する
請求項１９に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項21】

前記接合部は、前記参照層上に、反強磁性体で構成される反強磁性層を備える
請求項１～２０のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項22】

前記反強磁性体は、Ｉｒ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｍｎ又はＮｉ－Ｍｎである
請求項２１に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項23】

前記重金属層は、Ｗ－Ｈｆ、Ｗ－Ｔａ、Ｐｔ－Ａｕ、Ｐｔ－Ｉｒ又はＰｄ－Ｒｈの少なくとも１種類からなる
請求項９～２２のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項24】

前記重金属層に前記書き込み電流が流れると共に、前記記録層と前記参照層との間に書き込み補助電流が流れると、前記記録層が磁化反転し、
前記接合部は、前記重金属層に流れる前記書き込み電流がオフになった後も、前記記録層と前記参照層との間に前記書き込み補助電流が流れる
請求項１～２３のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子。

【請求項25】

請求項１～２４のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を備える磁気メモリ装置。

【請求項26】

複数の前記磁気抵抗効果素子を有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層上で、前記接合部が前記第１方向に配列されている磁気抵抗効果素子アレイと、
前記磁気抵抗効果素子アレイから選択した２つの前記接合部の抵抗差に応じた電圧を出
力する差動アンプと
を備える請求項２５に記載の磁気メモリ装置。

【請求項27】

重金属層と、前記重金属層上に設けられた磁化反転可能な記録層、前記記録層上に設けられた障壁層及び前記障壁層上に設けられ、磁化方向が固定された参照層を有する接合部とを備える磁気抵抗効果素子を複数有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層上で、前記接合部が前記第１方向に配列されている磁気抵抗効果素子アレイと、
前記磁気抵抗効果素子アレイから選択した２つの前記接合部の抵抗差に応じた電圧を出力する差動アンプと
を備える磁気メモリ装置。

【請求項28】

第１方向に延伸された重金属層上に、磁化反転可能な記録層、障壁層及び磁化方向が固定された参照層を有する接合部を複数備え、前記接合部が前記第１方向に配列された磁気抵抗効果素子アレイを有し、前記接合部の抵抗値に応じてデータを記憶する磁気メモリ装置であって、
複数の前記接合部から選択された２つの前記接合部が接続される差動アンプを備え、
前記磁気抵抗効果素子アレイは、
前記重金属層の一端部と他端部の間にリセット電流が流れると、各前記接合部の前記記録層の磁化方向が所定方向に揃い、
前記記録層の磁化方向が前記所定方向に揃っている状態で、前記重金属層の前記一端部と前記他端部との間に書き込み電流が流れると共に、一の前記接合部の前記参照層から、前記重金属層を介して、他の前記接合部の前記参照層に書き込み補助電流が流れると、前記書き込み補助電流が流れる２つの前記接合部のいずれか一方の前記記録層が磁化反転し、
前記差動アンプが、一の前記接合部を流れる電流と、他の前記接合部を流れる電流との差に基づく電圧を出力し、
前記差動アンプの出力電圧に基づいて、一の前記接合部と他の前記接合部とに記憶されたデータが読み出される
磁気メモリ装置。

【請求項29】

請求項２８に記載の磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法であって、
第１方向に延伸された重金属層上に、磁化反転可能な記録層、障壁層及び磁化方向が固定された参照層を有する接合部を複数備え、前記接合部が前記第１方向に配列された磁気抵抗効果素子アレイを有し、前記接合部の抵抗値に応じてデータを記憶する磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法であり、
前記重金属層にリセット電流を流し、各前記接合部の前記記録層の磁化方向を所定方向に揃えるリセット工程と、
前記重金属層に書き込み電流を流すと共に、一の前記接合部の前記参照層から、前記重金属層を介して、他の前記接合部の前記参照層へ向けて書き込み補助電流を流す書き込み工程と、
一の前記接合部を流れる電流と、他の前記接合部を流れる電流の差に基づいて、一の前記接合部と他の前記接合部とに記憶されたデータを読み出す読み出し工程と
を有する磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法。

【請求項30】

前記書き込み工程は、一の前記接合部から、該接合部と隣接する他の前記接合部に前記書き込み補助電流を流す
請求項２９に記載の磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法に関する。

【背景技術】

【0002】

高速性と高書き換え耐性が得られる次世代不揮発メモリとして、磁気抵抗効果素子を記憶素子として用いたＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）が知られている。ＭＲＡＭに用いる次世代の磁気抵抗効果素子としては、スピン軌道トルクを利用してＭＴＪ(Magnetic Tunnel Junction)を磁化反転させるＳＯＴ－ＭＲＡＭ（Spin-Orbit Torque Magnetic Random Access Memory）素子が注目されている（特許文献１参照）。

【0003】

ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、重金属層上に、強磁性層（記録層ともいう）／絶縁層（障壁層ともいう）／強磁性層（参照層ともいう）の３層構造を含む接合部が設けられた構成をしている。ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、現状用いられているＣｏ－Ｆｅ形の磁性体の場合、記録層と参照層の磁化方向が平行な平行状態より、記録層と参照層の磁化方向が反平行な反平行状態の方が素子の抵抗が高いという性質を有し、平行状態と反平行状態を０と１に対応させてデータを記録する。ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、参照層の磁化方向が固定され、記録層が磁化反転可能になされており、記録層が磁化反転することで、平行状態と反平行状態とを切り替えることができる。ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子では、重金属層に電流を流すことでスピン軌道相互作用によりスピン流を誘起し、スピン流により分極したスピンが記録層に流入することで記録層が磁化反転し、データが書き込まれる。また、記録層は、磁化容易方向に磁化されるので、スピンの流入がなくなっても、磁化状態が保持され、ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子はデータが保存される。

【0004】

ＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子には、記録層、参照層を面内方向に磁化させる面内磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子と、記録層、参照層を厚さ方向（垂直方向）に磁化させる垂直磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子がある。面内磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子には、磁化方向が面内であるため、磁化方向が垂直方向であるときより流入したスピンにより磁化反転し易く、垂直磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子より書き込み電流を小さくできるという特徴がある。そのため、面内磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、ＭＲＡＭに用いる磁気抵抗効果素子として特に注目されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】国際公開第２０１６／０２１４６８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

面内磁化型のＭＴＪを用いたＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子では、接合部を楕円形状や長方形状のような高アスペクト比の長細形状に形成して記録層に形状磁気異方性を生じさせ、記録層の長軸方向を磁化容易方向にし、記録層の磁化方向が面内となるようにしている。このように、面内磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子は、接合部をアスペクト比が２～３程度の形状に形成することで、面内方向に形状磁気異方性を生じさせて、磁化方向が面内となるようにしている。そのため、面内磁化型のＳＯＴ－ＭＲＡＭ素子には、メモリの大容量化のために接合部のアスペクト比を小さくすると、磁気異方性が小さくなり熱安定性が損なわれ、不揮発メモリとしての性質が損なわれるという問題があり、接合部のアスペクト比を小さくするのが難しかった。

【0007】

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、接合部のアスペクト比を小さくできる磁気抵抗効果素子、磁気メモリ装置並びに磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明による磁気抵抗効果素子は、エピタキシャル層である重金属層と、面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部とを備え、前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をする。

【0009】

本発明による磁気抵抗効果素子は、重金属層と、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部とを備え、前記記録層は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、エピタキシャル層である強磁性層を含む積層膜であり、最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが面内方向に磁化した強磁性層であり、前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をする。

【0010】

本発明による磁気抵抗効果素子は、重金属層と、前記重金属層上に設けられた記録層と、前記記録層上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層と、前記障壁層上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層とを有する接合部とを備え、前記記録層は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も前記重金属層側の層と、最も前記障壁層側の層とが強磁性層である積層膜であり、前記強磁性層が面内方向に磁化しており、前記記録層の最も前記重金属層側の層又は最も前記障壁層側の層の少なくとも１つが前記記録層の他の強磁性層よりも薄く前記重金属層に書き込み電流を流すことにより、前記記録層が磁化反転をする。

【0011】

本発明による磁気メモリ装置は、請求項１～２２のいずれか１項に記載の磁気抵抗効果素子を備える。

【0012】

本発明の磁気メモリ装置は、重金属層と、前記重金属層上に設けられた磁化反転可能な記録層、前記記録層上に設けられた障壁層及び前記障壁層上に設けられ、磁化方向が固定された参照層を有する接合部とを備える磁気抵抗効果素子を複数有し、一の前記磁気抵抗効果素子の前記重金属層が第１方向に延伸され、延伸された前記重金属層を他の複数の前記磁気抵抗効果素子が共有し、前記重金属層上で、前記接合部が前記第１方向に配列されている磁気抵抗効果素子アレイと、前記磁気抵抗効果素子アレイから選択した２つの前記接合部の抵抗差に応じた電圧を出力する差動アンプとを備える。

【0013】

本発明の磁気メモリ装置は、第１方向に延伸された重金属層上に、磁化反転可能な記録層、障壁層及び磁化方向が固定された参照層を有する接合部を複数備え、前記接合部が前記第１方向に配列された磁気抵抗効果素子アレイを有し、前記接合部の抵抗値に応じてデータを記憶する磁気メモリ装置であって、複数の前記接合部から選択された２つの前記接合部が接続される差動アンプを備え、前記磁気抵抗効果素子アレイは、前記重金属層の一端部と他端部の間にリセット電流が流れると、各前記接合部の前記記録層の磁化方向が所定方向に揃い、前記記録層の磁化方向が前記所定方向に揃っている状態で、前記重金属層の前記一端部と前記他端部との間に書き込み電流が流れると共に、一の前記接合部の前記参照層から、前記重金属層を介して、他の前記接合部の前記参照層に書き込み補助電流が流れると、前記書き込み補助電流が流れる２つの前記接合部のいずれか一方の前記記録層が磁化反転し、前記差動アンプが、一の前記接合部を流れる電流と、他の前記接合部を流れる電流との差に基づく電圧を出力し、前記差動アンプの出力電圧に基づいて、一の前記接合部と他の前記接合部とに記憶されたデータが読み出される。

【0014】

本発明の磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法は、第１方向に延伸された重金属層上に、磁化反転可能な記録層、障壁層及び磁化方向が固定された参照層を有する接合部を複数備え、前記接合部が前記第１方向に配列された磁気抵抗効果素子アレイを有し、前記接合部の抵抗値に応じてデータを記憶する磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法であって、前記重金属層にリセット電流を流し、各前記接合部の前記記録層の磁化方向を所定方向に揃えるリセット工程と、前記重金属層に書き込み電流を流すと共に、一の前記接合部の前記参照層から、前記重金属層を介して、他の前記接合部の前記参照層へ向けて書き込み補助電流を流す書き込み工程と、一の前記接合部を流れる電流と、他の前記接合部を流れる電流の差に基づいて、一の前記接合部と他の前記接合部とに記憶されたデータを読み出す読み出し工程とを有する。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、記録層が、エピタキシャル層である強磁性層を含むので、面内磁気異方性としての結晶磁気異方性により磁化方向が面内となり、形状磁気異方性により磁化方向を面内とする必要がなく、磁気異方性が小さくなり熱安定性が損なわれることも抑制でき、接合部のアスペクト比を小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】図１Ａは、本発明の第１実施形態の磁気抵抗効果素子の上面図であり、図１Ｂは本発明の第１実施形態の磁気抵抗効果素子に関する他の実施形態を示す上面図である。

【図2】図２Ａは、図１Ａ中のＡ－Ａ’で磁気抵抗効果素子を切断したときのＡ－Ａ’断面図であり、第１実施形態の磁気抵抗効果素子の記録層と参照層とが反平行状態にあるときを示しており、図２Ｂは、図２Ａと同様の断面図であり、第１実施形態の磁気抵抗効果素子の記録層と参照層とが平行状態にあるときを示している。

【図3】図３Ａは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子の記録層と参照層とが反平行状態にあるときを示す概略断面図であり、図３Ｂは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子の記録層と参照層とが平行状態にあるときを示す概略断面図である。

【図4】図４Ａは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子の記録層と参照層とが反平行状態にあるときを示す概略断面図であり、図４Ｂは、第２実施形態の磁気抵抗効果素子の記録層と参照層とが平行状態にあるときを示す概略断面図である。

【図5】強磁性層同士が強磁性的に結合した記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図である。

【図6】強磁性層同士が強磁性的に結合した記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図である。

【図7AB】図７Ａは、最も重金属層側の強磁性層が他の強磁性層より薄い記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図であり、図７Ｂは、最も障壁層側の強磁性層が他の強磁性層より薄い記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図である。

【図7C】最も重金属層側の強磁性層と最も障壁層側の強磁性層が他の強磁性層より薄い記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図である。

【図8】図８Ａは、最も重金属層側の強磁性層が他の強磁性層より薄い記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図であり、図８Ｂは、最も障壁層側の強磁性層が他の強磁性層より薄い記録層を有する磁気抵抗効果素子の概略断面図である。

【図9】図９Ａは、本発明の実施形態の磁気抵抗効果素子を使用した１ビット分のメモリセル回路で、重金属層の両端の下部に端子を設けた場合の回路構成を示す例であり、図９Ｂは、重金属層の両端の表面に端子を設けた場合の回路構成を示す例である。

【図10】図９Ａに示すメモリセル回路を複数個配置した磁気メモリ装置のブロック図である。

【図11】図１１Ａは、本発明の磁気抵抗効果素子アレイを用いた磁気メモリ装置を示す概略図であり、図１１Ｂは、磁気抵抗効果素子アレイを用いた磁気メモリ装置の配線の一例を示す概略図である。

【図12】図１２Ａは、本発明の磁気抵抗効果素子を用いた磁気メモリ装置の全体構成を示す概略図であり、図１２Ｂは、図１２Ａ中のＢ－Ｂ’で磁気抵抗効果素子アレイを切断したときのＢ－Ｂ’断面図である。

【図13】図１３Ａ、図１３Ｂは、磁気メモリ装置の書き込み方法を説明する模式図である。

【図14】図１４は、ビットセレクターの構成の一例を示す概略図である。

【図15】図１５Ａは、書き込み補助電流により磁化反転をアシストできる場合の例を示す図であり、図１５Ｂは、書き込み補助電流により磁化反転をアシストできない場合の例を示す図である。

【図16】図１６は、磁気メモリ装置の読み出し方法を説明する模式図である。

【図17】図１７Ａは、本発明の他の実施形態の磁気抵抗効果素子の上面図であり、図１７Ｂは、本発明の他の実施形態の磁気抵抗効果素子の上面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

（１）本発明の第１実施形態の磁気抵抗効果素子
以下、図１Ａ、図２Ａ、図２Ｂを参照して、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１を説明する。図１Ａは、磁気抵抗効果素子１の上面図であり、図２Ａ、２Ｂは、図１Ａ中のＡ－Ａ’で磁気抵抗効果素子１を切断したときのＡ－Ａ’断面図である。本明細書では、図１Ａに示すように、重金属層２の短手方向をｘ方向（紙面右側を＋ｘ方向）とし、長手方向をｙ方向（上面図では紙面上側、断面図では紙面奥側を＋ｙ方向）とし、重金属層２の表面に対して垂直方向をｚ方向（断面図では紙面上側を＋ｚ方向）としている。

【0018】

図１Ａに示すように、磁気抵抗効果素子１は、重金属層２と、記録層と障壁層と参照層とを含む磁気トンネル接合部３（以下、単に接合部３という）とを備えている。重金属層２は、第１方向（本実施形態ではｙ方向）に延伸された直方体形状をしており、上面から見ると長方形状をしている。重金属層２は、厚さ０．５ｎｍ～２０ｎｍ、望ましくは、１ｎｍ～１０ｎｍである。重金属層２は、ｘ方向に幅１０～１５０ｎｍであり、望ましくは、接合部３の幅と同じ長さにするのが良く、最も書込み効率が良くなる。本実施形態では、重金属層２のｘ方向の幅を接合部３の幅よりも大きくなるようにしている。また、例えば、図１Ｂに示す磁気抵抗効果素子１ｂのように、重金属層２のｘ方向の幅を、接合部３の幅と等しくなるようにしてもよい。重金属層２は、ｙ方向に長さ１５ｎｍ～２６０ｎｍであり、電流さえ流すことができれば短ければ短いほどよく、メモリを高密度化できる。この重金属層２の長手方向の長さは、重金属層２に１つの接合部３を設けるときの望ましい長さであり、１つの重金属層２上に複数の接合部３を配置する場合は、この限りではない。重金属層２は、スピン軌道相互作用の大きい重金属、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｂ又はこれらの元素を含む合金が望ましい。合金としては、例えば、Ｗ－Ｈｆ、Ｗ－Ｔａ、Ｐｔ－Ａｕ、Ｐｔ－Ｉｒなどが特に望ましい。さらに、重金属層２はＰｄ－Ｒｈなどの合金で構成されてもよい。重金属層２は、高配向のエピタキシャル層であり、導電性を有している。本実施形態では、重金属層２は、接合部３の記録層を磁化反転させる書き込み電流Ｉｗが、重金属層２の第１方向の一端部と他端部の間に流される。すなわち、書き込み電流Ｉｗは、重金属層２の長手方向に沿って、第１方向と同じ向きに流される。本明細書では、エピタキシャル層は、エピタキシャル成長により形成された層又は薄膜を意味し、例えば、単結晶の層、概ね単結晶であるが、一部が多結晶などになっている層、及び、単結晶が支配的であり、実際上、単結晶とみなすことができる層などを含むものとする。

【0019】

重金属層２は、表面にエピタキシャル層を有する下地層上に形成されている。本実施形態の場合、下地層は、アモルファス金属層２０と、エピタキシャル層であるＭｇＯ層２１とでなる２層膜であり、ＭｇＯ層２１上に重金属層２がエピタキシャル成長により形成されている。アモルファス金属層２０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ又はＴａ－ＢなどＢを含む金属でなるアモルファス（非晶質）の層である。ＭｇＯ層２１は、（１００）方向に配向した結晶性の良いＭｇＯ層であり、アモルファス金属層上にＭｇＯを積層すると、（１００）方向に配向した単結晶が支配的なＭｇＯ層が形成される性質を利用して形成されている。このように、本実施形態の下地層は、アモルファス金属層２０上に、ＭｇＯを堆積してエピタキシャル層のＭｇＯ層２１を形成することで作製される。重金属層２は、エピタキシャル層であるＭｇＯ層２１上に、例えば、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition：物理蒸着法）などの一般的な成膜手法によりエピタキシャル成長させて形成しているので、エピタキシャル層となる。なお、表面にエピタキシャル層を有する下地層は、単結晶基板であってもよく、アモルファス層などの基材上にエピタキシャル層をＣＭＯＳセンサーなどで用いられている基板のReverse Engineering技術によって別途形成したエピタキシャル層を張り合わせたものであってもよい。また、重金属層２は、エピタキシャル層である重金属層を種々の基材上に張り合わせて重金属層２を形成してもよい。なお、重金属層２の結晶構造は、重金属層２を構成する材料によって異なり、Ｗ－Ｈｆ又はＷ－Ｔａの場合、ｂｃｃ又はβ構造であり、Ｐｔ－Ａｕ、Ｐｔ－Ｉｒ又はＰｄ－Ｒｈの場合ｆｃｃ構造である。

【0020】

接合部３は、記録層の磁化容易方向（図１Ａ中に示す矢印Ａ１）が重金属層２の長手方向（ｙ方向）と重金属層２の面内で概ね垂直になるように、エピタキシャル成長した重金属層２上に設けられている。そのため、書き込み電流Ｉｗが、記録層の磁化方向と概ね直交する方向に、重金属層２の一端部と他端部の間で流れる。接合部３は、円柱形状に形成されており、上面から見たとき、円形状をしている。そのため、接合部３のアスペクト比は概ね１である。ここで、本明細書でいう接合部３のアスペクト比は、上面から見た接合部３の形状のアスペクト比をいい、接合部３が、上面から見たとき（あるいは、幅方向の断面が）、正方形状や円形状などの長軸及び短軸の区別のない形状の場合は１であり、四辺形状の場合は長辺の長さと短辺の長さの比であり、楕円形状の場合は長軸の長さと短軸の長さの比である。後述するように、接合部３の記録層３１がエピタキシャル層の強磁性層を含むようにしているので、結晶磁気異方性により記録層３１の磁化方向を面内方向にでき、このような接合部３のアスペクト比を、１～１．５程度にすることができる。アスペクト比は、１～１．５が望ましく、１～１．３とすることがさらに望ましい。このようにすることで、従来よりも高密度に磁気抵抗効果素子を配置した磁気メモリ装置を作成できる。接合部３のアスペクト比が１～１．５であれば、接合部３の形状は特に限定されず、立方体や直方体、楕円柱などであってもよい。例えば、図１Ｂに示す磁気抵抗効果素子１ｂのように、接合部３は、角部が丸まった四角柱形状をしていてもよい。このような接合部３は、上面から見たとき、正方形の四つの角が丸まって曲線となった形状をしている。

【0021】

なお、接合部３は、短辺の長さ又は短軸の長さ（アスペクト比が１の場合は１辺の長さ又は直径）を１０～１００ｎｍとするのが望ましく、この範囲で小さければ小さいほど大容量化が可能である。また、本実施形態の場合、接合部３は、重金属層２上に、接合部３の各層をエピタキシャル成長により積層後、フォトリソグラフィ技術を用いて円柱形状に成形している。そのため、接合部３の各層は、エピタキシャル層である。

【0022】

図２Ａに示すように、接合部３は、記録層３１と、障壁層３２と、参照層３３と、反強磁性層３４とを備えている。記録層３１は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金が望ましい。具体的に説明すると、Ｃｏを含む合金としては、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｐｔなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｃｏを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるCo-richであることが望ましい。Ｆｅを含む合金としては、Ｆｅ－Ｐｔ及びＦｅ－Ｐｄなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｆｅを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるFe-richであることが望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金としては、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｆｅ－Ｐｄなどの合金が望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金は、Co-richであってもFe-richであってもよい。Ｍｎを含む合金としては、Ｍｎ－Ｇａ及びＭｎ－Ｇｅなどの合金が望ましい。また、上記で説明したＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金に、Ｂ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ａｌ及びＳｉなどの元素が多少含まれていてもかまわない。なお、記録層３１は、上記の材料で構成された強磁性層と、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｏｓ及びＲｅなどの非磁性体で形成された非磁性層との積層膜であってもよい。本実施形態では、記録層３１が１層の強磁性層により構成されるが、記録層３１は、例えば、強磁性層、非磁性層、強磁性層の３層構造や、強磁性層、非磁性層、強磁性層、非磁性層、強磁性層の５層構造など、エピタキシャル層である強磁性層と非磁性層の積層膜であってもよい。非磁性層は、エピタキシャル層でも、アモルファス層であってもよく、後述する第１非磁性層１１ａと同じ材料で構成できる。なお、アモルファス層とは、アモルファスの層又は薄膜を意味し、アモルファスが支配的であれば、一部に結晶を有する層も含むものとする。

【0023】

また、記録層３１は、強磁性層上にＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などで形成された１ｎｍ以下の非磁性層と、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ及びＣｏ－Ｂなどの強磁性体で形成されたアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）とをこの順に備えていてもよい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層３２をアモルファス強磁性体上にエピタキシャル成長させることとなり、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。そして、アモルファス強磁性層は、層間相互作用により、非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層と磁化が強磁性的に結合し、面内方向に磁化が向く。アモルファス強磁性層とは、強磁性体で構成されたアモルファスの層又は薄膜を意味し、アモルファスが支配的であれば、一部に結晶を有する層も含むものとする。

【0024】

エピタキシャル層である重金属層２上に、エピタキシャル成長により積層されているため、記録層３１は、重金属層２と接しており、エピタキシャル層である。記録層３１の結晶構造は、記録層３１を構成する材料によって異なる。さらに、記録層３１は、記録層３１を構成する材料の格子定数と重金属層２を構成する材料の格子定数の不整合などにより、結晶に歪が生じている。そのため、バルクではｂｃｃ構造の材料で形成された記録層３１が、エピタキシャル成長した場合、ｂｃｃ構造が歪んだｂｃｔ構造となり、バルクでｆｃｃ構造の材料で形成された記録層３１がエピタキシャル成長した場合には、ｆｃｃ構造が歪んだｆｃｔ構造となる。例えば、Ｃｏ－Ｆｅでは、下地の種類、組成比によりｂｃｔ構造、ｆｃｔ構造にもなりえる。そして、この結晶の歪により、記録層３１に面内磁気異方性としての結晶磁気異方性が生じ、記録層３１の面内に磁化容易軸が生じ、磁化容易軸に沿った方向が磁化容易方向となる。記録層３１は、このようにして生じた結晶磁気異方性が支配的である。記録層３１の磁化Ｍ３１は、飽和磁化以上の外部磁場やスピントルクなどがかかっていない状態では、概ねこの磁化容易方向を向き、面内方向に磁化している。そのため、記録層３１の磁化状態が保持され、記録層３１に記録されたデータが保持される。

【0025】

本実施形態では、記録層３１の磁化容易方向が重金属層２の長手方向（ｙ方向）と概ね垂直となるように、接合部３を重金属層２上に設けているので、記録層３１の磁化Ｍ３１は、＋ｘ方向又は－ｘ方向を向いている。図２Ａ、図２Ｂでは、記録層３１の磁化Ｍ３１を白抜きの矢印で示しており、矢印の向いている方向が磁化方向を表している。なお、図２Ａ、図２Ｂでは各層の磁化を便宜的に矢印で表しており、実際には、磁化方向を向いていない成分も各層に含まれている。以下、本明細書の図面において磁化を矢印で表した場合は、このことと同様である。

【0026】

このように、磁気抵抗効果素子１では、記録層３１が結晶磁気異方性により磁化容易方向を有するので、記録層３１が形状磁気異方性を有するようにする必要がなく、接合部３をアスペクト比の大きい長細形状にする必要がないので、アスペクト比を小さくできる。また、形状磁気異方性により記録層３１を面内に磁化させる場合は、アスペクト比を小さくすると磁気異方性が小さくなり熱安定性が損なわれたが、記録層３１が結晶磁気異方性を有しているので、アスペクト比を小さくしても結晶磁気異方性により十分に磁気異方性を有し、熱安定性が損なわれることも抑制できる。なお、記録層３１の厚さは１．０ｎｍ～２０ｎｍ程度とするのが望ましい。

【0027】

障壁層３２は、例えば、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ及びＭｇＡｌＯなどの絶縁体でなる絶縁層であり、記録層３１上に形成されている。障壁層３２は、例えば、その厚さが０．１ｎｍ～５ｎｍ、望ましくは、０．５ｎｍ～２ｎｍとなるように形成されている。なお、記録層３１は、記録層３１と障壁層３２の材質及び厚さの組み合わせにより、障壁層３２との界面における界面異方性効果により磁化方向が垂直方向となる場合があるため、障壁層３２との関係で界面異方性効果により、磁化Ｍ３１が垂直方向を向くことを避けることができる厚さに形成するのが特に望ましい。例えば、障壁層３２がＭｇＯで、記録層３１の表面がＣｏ－Ｆｅ－Ｂの場合、記録層３１は、１．４ｎｍより厚いことが望ましい。

【0028】

尚、本実施形態では、エピタキシャル層である記録層３１上に、障壁層３２をエピタキシャル成長させて形成しているので、障壁層３２も、エピタキシャル層である。そして、（１００）に配向したＭｇＯ層２１上に重金属層２、記録層３１がエピタキシャル成長により形成されているので、障壁層３２は（１００）に配向したＭｇＯのエピタキシャル層となる。なお、前述したように、障壁層３２を構成するＭｇＯ（１００）膜の形成は、エピタキシャル層である記録層３１上に、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などで形成された非磁性層と、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ又はＣｏ－Ｂなどで構成されるアモルファス強磁性層を形成した上に成長しても形成できる。

【0029】

参照層３３は、強磁性層１５、非磁性層１６、強磁性層１７が、障壁層３２上にこの順に積層された３層積層膜であり、３層の積層フェリ構造をしている。積層フェリ構造とは、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、非磁性層を挟んで向かい合う強磁性層が層間相互作用により反強磁性的に結合して磁化方向が反平行となる構造をいう。そのため、強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きと強磁性層１７の磁化Ｍ１７の向きとが反平行である。本明細書では、磁化方向が反平行といった場合、磁化の方向が概ね１８０度異なることをいう。

【0030】

強磁性層１５及び強磁性層１７は、記録層３１と同様の材料で形成することができ、非磁性層１６は、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などで形成することができる。非磁性層１６は、Ｒｕの場合は０．５ｎｍ～１．０ｎｍ、Ｉｒの場合は０．５ｎｍ～０．８ｎｍ、Ｒｈの場合は０．７ｎｍ～１．０ｎｍ、Ｏｓの場合は０．７５ｎｍ～１．２ｎｍ、Ｒｅの場合は０．５ｎｍ～０．９５ｎｍ程度の厚さに形成する。そのため、参照層３３では、強磁性層１５の磁化Ｍ１５と強磁性層１７の磁化Ｍ１７とが、層間相互作用により反強磁性的に結合している。強磁性層１５及び強磁性層１７は、それぞれ、１．０ｎｍ～５．０ｎｍ程度、１．０ｎｍ～５．０ｎｍ程度に形成され、記録層３１に印加される漏れ磁場が小さくなるように強磁性層１７の膜厚を強磁性層１５の膜厚より少し厚めにすることが望ましい。参照層３３は、５層以上の積層フェリ構造をしてもよく、積層フェリ構造とせずに、１層の強磁性層で構成してもよい。本実施形態では、参照層３３は、各層がエピタキシャル層であるが、一部の層がアモルファスの材料で構成されていてもよい。また、強磁性層１５は、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ又はＣｏ－Ｂなどで構成されるアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金で形成された非磁性層（１ｎｍ以下）、強磁性層の順に積層した３層膜であってもよい。

【0031】

反強磁性層３４は、例えば、Ｉｒ－Ｍｎ、Ｐｔ－Ｍｎ及びＮｉ－Ｍｎなどの反強磁性体でなり、厚さが５ｎｍ～１５ｎｍ程度に形成されている。参照層３３上に反強磁性層３４を設けることで、反強磁性層３４と接する参照層３３の強磁性層１７の磁化Ｍ１７の向きが、反強磁性層３４を構成する反強磁性体による反強磁性相互作用によって、所定方向に固着される。その結果、強磁性層１７の磁化Ｍ１７と反強磁性的に結合している強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きも固定される。このように、反強磁性層３４は、参照層３３の磁化方向を所定方向に固定する。図２Ａ、図２Ｂでは、固定された磁化Ｍ１５、Ｍ１７を黒塗りの矢印で示している。本実施形態では、反強磁性層３４は、エピタキシャル層である必要はなく、多結晶でもかまわない。さらに、反強磁性層３４は、面内で記録層３１の磁化容易方向と概ね平行又は反平行となるように、磁化Ｍ１５、磁化Ｍ１７を磁場中熱処理により固定している。参照層３３の強磁性層１５、強磁性層１７は、当該磁化容易方向と平行又は反平行に固定された成分が多数を占めていればよく、磁化容易方向と平行でない成分を含んでいてもよい。なお、反強磁性層３４を用いなくてもよい。

【0032】

本実施形態の一例として、磁気抵抗効果素子１は、例えば、重金属層２：Ｗ－Ｈｆ（７ｎｍ）と、記録層３１：Ｃｏ－Ｆｅ（１．８ｎｍ）と、障壁層３２：ＭｇＯ（１００）（１．０ｎｍ）、強磁性層１５：Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ（１．５ｎｍ）／Ｔａ（０．５ｎｍ）／Ｃｏ－Ｆｅ（１．０ｎｍ）、非磁性層１６：Ｒｕ（０．８５ｎｍ）、強磁性層１７：Ｃｏ－Ｆｅ（２．８ｎｍ）でなる参照層３３と、反強磁性層３４：Iｒ－Ｍｎ（１０ｎｍ）とで構成される。

【0033】

このような磁気抵抗効果素子１では、記録層３１と参照層３３の磁化方向が、平行か、反平行かによって、接合部３の抵抗が変化する。本実施形態では、参照層３３が多層構造をしているので、実際には、記録層３１（記録層３１が多層の場合は障壁層３２に接する強磁性層）の磁化方向（磁化Ｍ３１の向き）と障壁層３２に接する強磁性層１５の磁化方向（磁化Ｍ１５の向き）が、平行か、反平行かによって接合部３の抵抗が変化する。具体的には、磁化Ｍ３１と磁化１５の向きが平行のときは、磁化Ｍ３１と磁化Ｍ１５の向きが反平行のときより抵抗が低い。本実施形態では、記録層３１と参照層３３が平行状態といった場合は、磁化Ｍ３１と磁化Ｍ１５の向きが平行な状態を指し、記録層３１と参照層３３が反平行状態といった場合は、磁化Ｍ３１と磁化Ｍ１５の向きが反平行な状態であることを指すものとする。

【0034】

磁気抵抗効果素子１では、重金属層２を流れる書き込み電流Ｉｗにより記録層３１の磁化Ｍ３１の向きを反転させることで、記録層３１と参照層３３とが抵抗の低い平行状態と抵抗の高い反平行状態の間で変化する。この平行状態と反平行状態とに“０”と“１”の１ビットデータを割り当てることにより、磁気抵抗効果素子１にデータを記憶させることができる。なお、磁気抵抗効果素子１からデータを読み出す際には、反強磁性層３４上に設けられた電極（図示せず）と重金属層２との間に読み出し電流Ｉｒｅを流し、磁気抵抗効果素子１の状態（平行状態か反平行状態か）を検出し、記憶データを読み出す。

【0035】

次に、磁気抵抗効果素子１の書き込み動作を説明する。図２Ａは、記録層３１と参照層３３とが反平行状態にあるときを示しており、図２Ｂは、記録層３１と参照層３３とが平行状態にあるときを示している。すなわち、図２Ａは、磁気抵抗効果素子１がデータ“１”を記憶している状態を示しており、図２Ｂは、磁気抵抗効果素子１がデータ“０”を記憶している状態を示している。

【0036】

まずは、図２Ａに示すように、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１にデータ“０”を書き込む例を説明する。重金属層２の長手方向に、且つ、図２Ａの紙面奥側から紙面手前側（図１Ａでは－ｙ方向）に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。書き込み電流Ｉｗはパルス電流である。すると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ又はこれらを主とする合金などで重金属層２が構成され、重金属層２のスピンホール角の符号が負のとき、記録層３１の磁化Ｍ３１と向きが反平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、スピンＳＡと向きが平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、スピンＳＡが記録層３１に流入する。なお、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ又はこれらを主とする合金などで重金属層２が構成され、重金属層２のスピンホール角の符号が正のときは、書き込み電流Ｉｗを図２Ａの紙面手前側から紙面奥側（＋ｙ方向）に流すことで、記録層３１の磁化Ｍ３１と向きが反平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、スピンＳＡと向きが反平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。

【0037】

図２Ａの記録層３１内では、流入したスピンＳＡが、磁化Ｍ３１の向きと反平行のため、磁化Ｍ３１がスピンＳＡによりトルクを受け、磁化Ｍ３１が反転する。このようにして記録層３１の磁化方向が反転し、図２Ｂに示すように、記録層３１と参照層３３とが平行状態になる。反転した磁化Ｍ３１は、書き込み電流Ｉｗが０になっても維持される。このようにしてデータ“０”を磁気抵抗効果素子１に書き込む。書き込み電流Ｉｗのパルスのパルス幅は、書き換えに要する時間以上の時間であり、本実施の形態においては、３０ｎｓ未満の時間、例えば、０．１ｎｓ秒以上１０ｎｓ秒未満である。パルス電流のパワーは、強磁性層の厚さや異方性の強さ、パルス幅などに応じて適宜選定する。

【0038】

このとき、記録層３１と参照層３３との間に、記録層３１の磁化反転をアシストする書き込み補助電流Ｉｗａとしてパルス電流を流すようにしてもよい。この場合、重金属層２から反強磁性層３４上に設けた電極（図２Ａには不図示）に向けて（＋ｚ方向に）書き込み補助電流Ｉｗａを流す。書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、記録層３１から強磁性層１５にトンネル効果によってトンネル電流が流れる。このとき、スピン注入磁化反転方式と同様に、強磁性層１５から記録層３１に、記録層３１の磁化Ｍ３１と向きが反平行のスピンが流入し、記録層３１では、流入したスピンにより磁化Ｍ３１にトルクがかかる。このスピントルクにより磁化Ｍ３１の反転がアシストされる。スピン軌道トルク磁化反転方式よりもスピン注入磁化反転方式の方が少ない電流で磁化反転できるので、重金属層２から電極に向かって書き込み補助電流Ｉｗａを流すことにより、記録層３１の磁化反転をアシストすることで、書き込み電流Ｉｗを削減でき、磁気抵抗効果素子１を省電力化できる。

【0039】

書き込み補助電流Ｉｗａのパルスのパルス幅は、書き換えに要する時間以上の時間であり、本実施の形態においては、３０ｎｓ未満の時間、例えば、１ｎｓ秒以上２０ｎｓ秒未満である。パルス電流のパワーは、強磁性層の厚さや異方性の強さ、パルス幅などに応じて適宜選定する。なお、書き込み補助電流Ｉｗａを流す場合は、重金属層２に流す書き込み電流Ｉｗ（パルス電流）よりも後に、書き込み補助電流Ｉｗａ（パルス電流）をオフにするのが望ましい。

【0040】

次に、図２Ｂに示すように、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１にデータ“１”を書き込む例を重金属層２のスピンホール角の符号が負の時を例にとり説明する。重金属層２の長手方向に、且つ、図２Ｂの紙面手前側から紙面奥側（図１Ａでは＋ｙ方向）に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。すると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流が生じ、記録層３１の磁化Ｍ３１と向きが平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れ、スピンＳＡと向きが反平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、スピンＳＢが記録層３１に流入する。

【0041】

記録層３１内では、流入したスピンＳＢが、磁化Ｍ３１の向きと反平行のため、磁化Ｍ３１がスピンＳＡによりトルクを受け、磁化Ｍ３１が反転し、図２Ａに示すように、記録層３１と参照層３３とが反平行状態になる。反転した磁化Ｍ３１は、書き込み電流Ｉｗが０になっても維持される。このようにしてデータ“１”を磁気抵抗効果素子１に書き込む。

【0042】

また、反強磁性層３４上に設けた電極（図２Ｂには不図示）から重金属層２に書き込み補助電流Ｉｗａを流すようにしてもよい。書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、強磁性層１５から記録層３１にトンネル電流が流れる。このとき、記録層３１の磁化Ｍ３１の向きと強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きが平行であるので、記録層３１の大多数のスピンが磁化Ｍ１５の向きと平行であり、記録層３１から強磁性層１５に、当該スピンが流入する。一方で、強磁性層１５の磁化Ｍ１５と向きが反平行の一部のスピンは、障壁層３２と強磁性層１５との界面で散乱され、再度、記録層３１に流入する。磁化Ｍ１５と向きが反平行のスピンは磁化Ｍ３１とも向きが反平行であるので、記録層３１では、磁化Ｍ３１が流入したスピンからトルクを受け、スピントルクにより磁化Ｍ３１の反転がアシストされる。このように、書き込み補助電流Ｉｗａにより、記録層３１の磁化反転をアシストすることで、データ“０”を書き込む場合と同様に書き込み電流Ｉｗを削減でき、磁気抵抗効果素子１を省電力化できる。

【0043】

このようにして、磁気抵抗効果素子１が保持するデータを書き換えることが可能になる。

【0044】

なお、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子１の重金属層２にデータ“０”を書き込むための書き込み電流Ｉｗを流した場合、記録層３１の磁化Ｍ３１の向きと記録層３１に流入するスピンの向きが平行になるため、磁化Ｍ３１にトルクがかからず、データの書き換えは起こらない。データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子１の重金属層２にデータ“１”を書き込むための書き込み電流Ｉｗを流した場合も同様である。なお、本実施形態では、上記とは逆向きに書き込み補助電流Ｉｗａを流した場合は、スピントルクにより、記録層３１の磁化反転をアシストできないので、記録層３１の磁化Ｍ３１の磁化方向と、参照層３３の強磁性層１５の磁化方向とにより適宜書き込み補助電流を流す方向を選ぶ必要がある。

【0045】

（作用及び効果）
以上の構成において、磁気抵抗効果素子１は、エピタキシャル層である重金属層２と、面内方向に磁化したエピタキシャル層の強磁性層を含み、重金属層２上に設けられた記録層３１と、記録層３１上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層３２と、障壁層３２上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層３３とを有する接合部３とを備え、重金属層２にパルス電流を流すことにより、記録層３１が磁化反転をするように構成した。

【0046】

よって、磁気抵抗効果素子１は、記録層３１がエピタキシャル層である強磁性層であるので、面内磁気異方性としての結晶磁気異方性により磁化方向が面内となり、形状磁気異方性により磁化方向を面内とする必要がなく、磁気異方性が小さくなり熱安定性が損なわれることも抑制でき、接合部３のアスペクト比を小さくすることができる。

【0047】

また、磁気抵抗効果素子１は、記録層３１をエピタキシャル層とすることで、重金属層２上に形成した記録層を非晶質としたときと比較して抵抗が低くなるため、重金属層２内に生じたスピン流によって接合部３の記録層３１にスピンが流入しやすくなり、書き込み電流Ｉｗを小さくでき、省電力化できる。

【0048】

さらに磁気抵抗効果素子１は、重金属層２をエピタキシャル層とすることで、重金属層２上にエピタキシャル成長により記録層３１を連続して形成できるので、エピタキシャル層の記録層３１を容易に形成できる。磁気抵抗効果素子１は、エピタキシャル層である重金属層２に記録層３１を連続してエピタキシャル成長させることで、重金属層２と記録層３１の界面に欠陥が生じることを抑制できる。よって、磁気抵抗効果素子１は、界面の欠陥で散乱されるスピンを減少でき、その分、重金属層２から記録層３１にスピンが流入しやすくなり、書き込み電流Ｉｗを小さくでき、省電力化できる。

【0049】

（２）本発明の第２実施形態の磁気抵抗効果素子
第２実施形態の磁気抵抗効果素子は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１とは、記録層の構成が異なる。以下では、第２実施形態の磁気抵抗効果素子について、記録層の構造を中心に説明し、第１実施形態と同様の構成は、説明を省略する。図２Ａ、図２Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図３Ａ、図３Ｂに示すように、第２実施形態の磁気抵抗効果素子４１は、エピタキシャル層である重金属層２と、重金属層２上に形成された接合部５１とを有する。接合部５１は、５層積層膜の記録層３１ａと、障壁層３２と、参照層３３と、反強磁性層３４とでなる。重金属層２、障壁層３２、参照層３３及び反強磁性層３４は、第１実施形態の磁気抵抗効果素子１と同様なので説明を省略する。

【0050】

記録層３１ａは、第１強磁性層１０ａ、第１非磁性層１１ａ、第２強磁性層１２ａ、第２非磁性層１３ａ、第３強磁性層１４ａが重金属層２上にこの順に積層された５層積層膜である。記録層３１ａは、第１強磁性層１０ａ、第１非磁性層１１ａ、第２強磁性層１２ａ、第２非磁性層１３ａ、第３強磁性層１４ａがエピタキシャル層である重金属層２上にエピタキシャル成長によって積層されているので、エピタキシャル層である。記録層３１ａは、積層フェリ構造をしており、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も重金属層２側の層（第１強磁性層１０ａ）と、最も障壁層３２側の層（第３強磁性層１４ａ）とが強磁性層である。

【0051】

第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａは、第１実施形態の記録層３１と同様の材料によって構成されている。第１強磁性層１０ａは、第１強磁性層１０ａを構成する材料の格子定数と重金属層２を構成する材料の格子定数の不整合などにより、結晶に歪が生じている。そのため、バルクではｂｃｃ構造の材料で形成された第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａが、エピタキシャル成長した場合、ｂｃｃ構造が歪んだｂｃｔ構造となり、バルクでｆｃｃ構造の材料で形成された第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａがエピタキシャル成長した場合には、ｆｃｃ構造が歪んだｆｃｔ構造となる。この結晶の歪により、第１強磁性層１０ａに面内磁気異方性としての結晶磁気異方性が生じ、第１強磁性層１０ａの面内に磁化容易軸が生じ、磁化容易軸に沿った方向が磁化容易方向となる。第２強磁性層１２ａ及び第３強磁性層１４ａも、エピタキシャル成長により形成されているので、エピタキシャル層であり、第１強磁性層１０ａと同様に結晶に歪が生じており、第１強磁性層１０ａと同様の方向が磁化容易方向となる。第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａの磁化は、保磁力以上の外部磁場やスピントルクなどがかかっていない状態では、概ねこの磁化容易方向を向き、面内方向に磁化している。そのため、記録層３１ａの磁化が保持され、記録層３１ａに記録されたデータが保持される。また、第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａは、結晶磁気異方性が支配的である。

【0052】

本実施形態では、記録層３１ａの第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａの磁化容易方向が重金属層２の長手方向（ｙ方向）と概ね垂直となるように、接合部５１を重金属層２上に設けているので、各層の磁化は、＋ｘ方向又は－ｘ方向を向いている。図３Ａ、図３Ｂでは、第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１０ａ、Ｍ１２ａ、Ｍ１４ａを白抜きの矢印で示しており、矢印の向いている方向が磁化方向を表している。なお、図３Ａ、図３Ｂでは各層の磁化を便宜的に矢印で表しており、実際には、磁化方向を向いていない成分も各層に含まれてもよい。

【0053】

記録層３１ａは、積層フェリ構造をしているので、第１強磁性層１０ａの磁化Ｍ１０ａと第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａとが層間相互作用によって反強磁性的に（磁化方向が反平行に）結合されている。同様に、記録層３１ａは、第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａと第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａとが層間相互作用によって反強磁性的に結合されている。

【0054】

第１強磁性層１０ａの磁化Ｍ１０ａが反転すると、第１強磁性層１０ａと第２強磁性層１２ａの間の層間相互作用により第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａも反転する。そして、第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａが反転した結果、第２強磁性層１２ａと第３強磁性層１４ａとの間の層間相互作用により、第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａも反転する。第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａが反転した場合も同様で、層間相互作用により、磁化Ｍ１２ａ、磁化Ｍ１０ａも反転する。このようにして記録層３１ａの強磁性層は磁化反転する。

【0055】

このように、磁気抵抗効果素子４１では、記録層３１の第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａが結晶磁気異方性により磁化容易方向を有するので、記録層３１ａが形状磁気異方性を有するようにする必要がなく、接合部５１をアスペクト比の大きい長細形状にする必要がないので、アスペクト比を小さくできる。

【0056】

また、記録層３１ａは、第１強磁性層１０ａの磁化Ｍ１０ａと第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａとが層間相互作用によって反強磁性的に結合され、第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａと第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａとが層間相互作用によって反強磁性的に結合されている。そのため、記録層３１ａは、第１強磁性層１０ａ及び第３強磁性層１４ａの正極側から出た漏れ磁場が第２強磁性層１２ａの負極側に向かい、第２強磁性層１２ａの正極側から出た漏れ磁場が第１強磁性層１０ａ及び第３強磁性層１４ａの負極側に向かう磁場となる。その結果、記録層３１ａは、記録層が強磁性層１層により構成される場合と比較して、漏れ磁場を抑制できる。その結果、磁気抵抗効果素子４１を集積するとき、一の磁気抵抗効果素子４１の漏れ磁場が他の磁気抵抗効果素子４１に影響を与えることを抑制でき、磁気抵抗効果素子４１をより高密度に集積した磁気メモリ装置を製造できる。

【0057】

第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａは、１．０ｎｍ～２０ｎｍ程度の厚さに形成し、漏れ磁場を無くすように各膜厚を微調整する。

【0058】

第１非磁性層１１ａ及び第２非磁性層１３ａは、例えばＩｒ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｏｓ、Ｒｅ及びこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などの非磁性金属でなり、Ｒｕの場合は０．５ｎｍ～１．０ｎｍ、１．８～２．３ｎｍ、Ｉｒの場合は０．５ｎｍ～０．８ｎｍ、Ｒｈの場合は０．７ｎｍ～１．０ｎｍ、Ｏｓの場合は０．７５ｎｍ～１．２ｎｍ、Ｒｅの場合は０．５ｎｍ～０．９５ｎｍの範囲に形成されている。第１強磁性層１０ａと第２強磁性層１２ａとを、このような厚さの第１非磁性層１１ａを介して積層することで、第１強磁性層１０ａの磁化Ｍ１０ａと第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａとを層間相互作用により反強磁性的に結合できる。同様に第２非磁性層１３ａの厚さを上記のようにすることで、第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａと第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａとを層間相互作用により反強磁性的に結合できる。

【0059】

なお、磁気抵抗効果素子４１では、第１非磁性層１１ａ及び第２非磁性層１３ａもエピタキシャル層である。第１非磁性層１１ａ及び第２非磁性層１３ａは、例えば、Ｉｒのような、印加した電流と生成されたスピン流の間の変換効率を表すスピンホール角が逆符号の材料又はスピンホール角が小さい材料で構成するのが望ましい。さらに、例えば第１非磁性層１１ａをＩｒで形成し、第２非磁性層１３ａをＲｕで形成するなど、第１非磁性層１１ａと第２非磁性層１３ａとを異なる材料で構成するのが望ましい。このようにすることで、記録層３１ａ、特に、第１強磁性層１０ａを磁化反転し易くできる。

【0060】

また、記録層３１ａは、第３強磁性層１４ａ上にＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金で形成された１ｎｍ以下の非磁性層と、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ及びＣｏ－Ｂなどの強磁性体で形成されたアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）とをこの順に備えていてもよい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層３２をアモルファス強磁性体上にエピタキシャル成長させることとなり、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。そして、アモルファス強磁性層は、層間相互作用により、第３強磁性層１４ａと磁化が反強磁性的に結合し、面内方向に磁化が向く。

【0061】

磁気抵抗効果素子４１の一例として、記録層３１ａは、第１強磁性層１０ａ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．４ｎｍ）、第１非磁性層１１ａ：Ｉｒ（０．７ｎｍ）、第２強磁性層１２ａ：Ｃｏ－Ｆｅ（３．０ｎｍ）、第２非磁性層１３ａ：Ｒｕ（０．８５ｎｍ）、第３強磁性層１４ａ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．４ｎｍ）で構成される。

【0062】

次に、磁気抵抗効果素子４１の書き込み動作を説明する。図３Ａは、記録層３１ａと参照層３３とが反平行状態にあるときを示しており、図３Ｂは、記録層３１と参照層３３とが平行状態にあるときを示している。すなわち、図３Ａは、磁気抵抗効果素子４１がデータ“１”を記憶している状態を示しており、図３Ｂは、磁気抵抗効果素子４１がデータ“０”を記憶している状態を示している。

【0063】

まずは、図３Ａに示すように、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子４１にデータ“０”を書き込む例を重金属層２のスピンホール角の符号が負の時を例にとり説明する。重金属層２の長手方向に、且つ、図３Ａの紙面奥側から紙面手前側（図１Ａでは－ｙ方向）に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。すると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流が生じ、第１強磁性層１０ａの磁化Ｍ１０ａと向きが反平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、スピンＳＡと向きが平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、スピンＳＡが第１強磁性層１０ａに流入する。

【0064】

図３Ａの第１強磁性層１０ａ内では、流入したスピンＳＡが、磁化Ｍ１０ａの向きと反平行のため、磁化Ｍ１０ａがスピンＳＡによりトルクを受け、磁化Ｍ１０ａが反転する。このようにして第１強磁性層１０ａの磁化方向が反転する。磁化Ｍ１０ａが反転すると、上述のように層間相互作用によって第２強磁性層１２ａの磁化Ｍ１２ａが反転し、さらに層間相互作用によって第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａが反転し、図３Ｂに示すように、記録層３１ａと参照層３３とが平行状態になる。反転した磁化Ｍ１４ａは、書き込み電流Ｉｗが０になっても維持される。このようにしてデータ“０”を磁気抵抗効果素子４１に書き込む。

【0065】

このとき、記録層３１ａと参照層３３との間に、記録層３１ａの磁化反転をアシストする書き込み補助電流Ｉｗａとしてパルス電流を流すようにしてもよい。この場合、重金属層２から反強磁性層３４上に設けた電極（図３Ａには不図示）に向けて（＋ｚ方向に）書き込み補助電流Ｉｗａを流す。書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、第３強磁性層１４ａから強磁性層１５にトンネル効果によってトンネル電流が流れる。このとき、スピン注入磁化反転方式と同様に、強磁性層１５から第３強磁性層１４ａに第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａと向きが反平行のスピンが流入し、第３強磁性層１４ａでは、流入したスピンにより磁化Ｍ１４ａにトルクがかかる。このスピントルクにより磁化Ｍ１４ａの反転がアシストされる。スピン軌道トルク磁化反転方式よりもスピン注入磁化反転方式の方が少ない電流で磁化反転できるので、重金属層２から電極に向かって書き込み補助電流Ｉｗａを流すことにより、第３強磁性層１４ａ、すなわち、記録層３１ａの磁化反転をアシストすることで、書き込み電流Ｉｗを削減でき、磁気抵抗効果素子４１を省電力化できる。

【0066】

次に、図３Ｂに示すように、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子４１にデータ“１”を書き込む例を重金属層のスピンホール角の符号が負の時を例にとり説明する。重金属層２の長手方向に、且つ、図３Ｂの紙面手前側から紙面奥側（図１Ａでは＋ｙ方向）に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。すると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流が生じ、第１強磁性層１０ａの磁化Ｍ１０ａと向きが平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れ、スピンＳＡと向きが反平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、スピンＳＢが第１強磁性層１０ａに流入する。

【0067】

第１強磁性層１０ａ内では、流入したスピンＳＢが、磁化Ｍ１０ａの向きと反平行のため、磁化Ｍ１０ａがスピンＳＡによりトルクを受け、磁化Ｍ１０ａが反転する。この結果、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａも磁化方向が反転し、記録層３１ａの磁化方向も反転し、図２Ａに示すように、記録層３１ａと参照層３３とが反平行状態になる。反転した磁化Ｍ１４ａは、書き込み電流Ｉｗが０になっても維持される。このようにしてデータ“１”を磁気抵抗効果素子１に書き込む。

【0068】

また、反強磁性層３４上に設けた電極（図３Ｂには不図示）から重金属層２に書き込み補助電流Ｉｗａを流すようにしてもよい。書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、強磁性層１５から第３強磁性層１４ａにトンネル電流が流れる。このとき、第３強磁性層１４ａの磁化Ｍ１４ａの向きと強磁性層１５の磁化Ｍ１５の向きが平行であるので、第３強磁性層１４ａの大多数のスピンが磁化Ｍ１５の向きと平行であり、第３強磁性層１４ａから強磁性層１５に、当該スピンが流入する。一方で、強磁性層１５の磁化Ｍ１５と向きが反平行の一部のスピンは、障壁層３２と強磁性層１５との界面で散乱され、再度、第３強磁性層１４ａに流入する。磁化Ｍ１５と向きが反平行のスピンは磁化Ｍ１４ａとも向きが反平行であるので、第３強磁性層１４ａでは、磁化Ｍ１４ａが流入したスピンからトルクを受け、スピントルクにより磁化Ｍ１４ａの反転がアシストされる。このように、書き込み補助電流Ｉｗａにより、第３強磁性層１４ａ、すなわち、記録層３１ａの磁化反転をアシストすることで、データ“０”を書き込む場合と同様に書き込み電流Ｉｗを削減でき、磁気抵抗効果素子４１を省電力化できる。

【0069】

このようにして、磁気抵抗効果素子４１が保持するデータを書き換えることが可能になる。なお、読み出し動作は、磁気抵抗効果素子１と同様なので説明は省略する。

【0070】

上記では、第２実施形態の磁気抵抗効果素子として、積層フェリ構造をした５層積層膜の記録層３１ａを有する磁気抵抗効果素子４１について説明したが、図２Ａと同じ構成には同じ符号を付した図４Ａ、４Ｂに示す磁気抵抗効果素子４２のように、接合部５２の記録層３１ｂが積層フェリ構造をした３層積層膜であってもよい。記録層３１ｂは、第１強磁性層１０ｂ、非磁性層１１ｂ、第２強磁性層１２ｂを有し、各層がエピタキシャル層である。このとき、第１強磁性層１０ｂと第２強磁性層１２ｂは、層間相互作用によって反強磁性的に結合している。磁気抵抗効果素子４２では、第１強磁性層１０ｂと、第２強磁性層１２ｂとを磁気抵抗効果素子４１の第１強磁性層１０ａと同程度の厚さで、同様の材料で形成している。非磁性層１１ｂは、磁気抵抗効果素子４１の第１非磁性層と同程度の厚さで同様の材料で形成するのが望ましい。磁気抵抗効果素子４２の一例として、記録層３１ｂは、第１強磁性層１０ｂ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．８ｎｍ）、非磁性層１１ｂ：Ｉｒ（０．７ｎｍ）、第２強磁性層１２ｂ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．８ｎｍ）で構成される。

【0071】

このような磁気抵抗効果素子４２は、記録層３１ｂがエピタキシャル層であり、面内に結晶磁気異方性により生じた磁化容易方向を有するので、形状磁気異方性により面内に磁化容易方向を生じさせる必要がなく、接合部５２のアスペクト比を小さくすることができる。

【0072】

さらに、磁気抵抗効果素子４２は、第１強磁性層１０ｂと第２強磁性層１２ｂとが層間相互作用によって反強磁性的に結合されるようにすることで、第１強磁性層１０ｂの正極側から出た漏れ磁場が第２強磁性層１２ｂの負極側に向かい、第２強磁性層１２ｂの正極側から出た漏れ磁場が第１強磁性層１０ｂの負極側に向かうようにでき、漏れ磁場を抑制できる。そのため、一の磁気抵抗効果素子４２の漏れ磁場が他の磁気抵抗効果素子４２に影響を与えることが抑制され、磁気抵抗効果素子４２をより高密度に集積した磁気メモリ装置を製造できる。

【0073】

また、記録層３１ｂは、第２強磁性層１２ｂ上にＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などで形成された１ｎｍ以下の非磁性層と、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ及びＣｏ－Ｂなどの強磁性体で形成されたアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）とを備えていてもよい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層３２をアモルファス強磁性体上にエピタキシャル成長させることとなり、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。そして、アモルファス強磁性層は、層間相互作用により、第２強磁性層１２ｂと磁化が強磁性的に結合し、面内方向に磁化が向く。

【0074】

このような磁気抵抗効果素子４２の動作について、重金属層２のスピンホール角の符号が負の時を例にとり説明する。磁気抵抗効果素子４２では、磁気抵抗効果素子４１の記録層３１ａを磁化反転させる場合と、書き込み電流Ｉｗを流す方向が逆である。まずは、図４Ａに示すように、データ“１”を記憶している磁気抵抗効果素子４２にデータ“０”を書き込む例を説明する。なお、図４Ａ、４Ｂでは、紙面奥側が＋ｙ方向である。重金属層２の長手方向に、且つ、図４Ａの紙面手前側から紙面奥側（図１Ａでは＋ｙ方向）に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。すると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が生じ、第１強磁性層１０ｂの磁化Ｍ１０ｂと向きが反平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れ、スピンＳＡと向きが平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、スピンＳＢが第１強磁性層１０ｂに流入する。

【0075】

第１強磁性層１０ｂ内では、流入したスピンＳＢが、磁化Ｍ１０ｂの向きと反平行のため、磁化Ｍ１０ｂがスピンＳＢによりトルクを受け、第１強磁性層１０ｂの磁化方向が反転する。磁化Ｍ１０ｂが反転すると、上述のように層間相互作用によって第２強磁性層１２ｂの磁化Ｍ１２ｂが反転し、図４Ｂに示すように、記録層３１ｂと参照層３３とが平行状態になる。

【0076】

このとき、記録層３１ｂと参照層３３との間に、記録層３１ｂの磁化反転をアシストする書き込み補助電流Ｉｗａとしてパルス電流を流すようにしてもよい。この場合、重金属層２から反強磁性層３４上に設けた電極（図４Ａには不図示）に向けて（＋ｚ方向に）書き込み補助電流Ｉｗａを流す。書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、スピントルクにより第２強磁性層１２ｂの磁化Ｍ１２ｂの反転がアシストされる。

【0077】

次に、図４Ｂに示すように、データ“０”を記憶している磁気抵抗効果素子４２にデータ“１”を書き込む例を重金属層２のスピンホール角の符号が負の時を例にとり説明する。重金属層２の長手方向に、且つ、図４Ｂの紙面奥側から紙面手前側（図１Ａでは－ｙ方向）に向かって書き込み電流Ｉｗを流す。すると、重金属層２内で、スピン軌道相互作用によるスピンホール効果によってスピン流（スピン角運動の流れ）が流れ、第１強磁性層１０ｂの磁化Ｍ１０ｂと向きが平行（－ｘ方向）のスピンＳＢが重金属層２の下面側（－ｚ方向）に流れ、磁化Ｍ１０ｂと向きが反平行（＋ｘ方向）のスピンＳＡが重金属層２の上面側（＋ｚ方向）に流れて、重金属層２内でスピンが偏在する。そして、重金属層２を流れるスピン流によって、スピンＳＡが第１強磁性層１０ｂに流入する。

【0078】

その結果、第１強磁性層１０ｂの磁化方向が反転し、第２強磁性層１２ｂの磁化方向も層間相互作用によって反転する。このようにして図４Ａに示すように、記録層３１ｂと参照層３３とが反平行状態になり、データ“１”が磁気抵抗効果素子４２に書き込まれる。また、反強磁性層３４上に設けた電極（図４Ｂには不図示）から重金属層２に書き込み補助電流Ｉｗａを流し、スピントルクにより第２強磁性層１２ｂの磁化Ｍ１２ｂの反転をアシストするようにしてもよい。なお、重金属層２のスピンホール角が正の場合は上記いずれの場合も、重金属層２に流す電流方向を逆に流す必要がある。また、読み出し動作は、磁気抵抗効果素子１と同様なので説明は省略する。

【0079】

さらに、記録層は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も重金属層２側の層と、最も障壁層３２側の層とが強磁性層であり、エピタキシャル層である積層膜であれば、強磁性層と非磁性層の積層数をさらに増やしてもよい。

【0080】

上記の第２実施形態では、エピタキシャル層である重金属層２上に、記録層３１ａ又は記録層３１ｂをエピタキシャル成長させて形成することで、重金属層２上に、重金属層２に接し、エピタキシャル層である記録層３１ａ又は記録層３１ｂを備えるようにした場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、別途形成したエピタキシャル膜である記録層３１ａ又は記録層３１ｂを、エピタキシャル層やアモルファス層である重金属層２上に張り合わせることで、重金属層２上にエピタキシャル層である記録層３１ａ又は記録層３１ｂを備えるようにすることもできる。また、アモルファスの重金属層２上に、ＭｇＯを積層することで、アモルファスの重金属層２上にエピタキシャル層であるＭｇＯ層を得て、当該ＭｇＯ層上に、エピタキシャル成長により記録層３１ａ又は記録層３１ｂを形成するようにしてもよい。

【0081】

上記の第２実施形態では、積層フェリ構造の記録層３１aを有する磁気抵抗効果素子４１や積層フェリ構造の記録層３１ｂを有する磁気抵抗効果素子４２について説明してきたが、本発明はこれに限られない。例えば、図３Ａと同じ構成には同じ符号を付した図５に示す磁気抵抗効果素子４３のように、記録層３１ｃが、第１強磁性層１０ｃ、第１非磁性層１１ｃ、第２強磁性層１２ｃ、第２非磁性層１３ｃ、第３強磁性層１４ｃでなり、各層がエピタキシャル層である５層膜であり、各強磁性層の磁化方向がそろっていてもよい。

【0082】

記録層３１ｃは、第１強磁性層１０ｃと第２強磁性層１２ｃとが層間相互作用により強磁性的に結合しており、第１強磁性層１０ｃの磁化Ｍ１０ｃの方向と、第２強磁性層１２ｃの磁化Ｍ１２ｃの方向とがそろっている。同様に、記録層３１ｃは、第２強磁性層１２cと第３強磁性層１４ｃとが層間相互作用により強磁性的に結合しており、第２強磁性層１２ｃの磁化Ｍ１２ｃの方向と、第３強磁性層１４ｃの磁化Ｍ１４ｃの方向とがそろっている。このように記録層は、磁化Ｍ１０ｃと磁化Ｍ１２ｃと磁化Ｍ１４ｃの方向がそろっている。

【0083】

記録層３１ｃでは、第１強磁性層１０ｃの磁化Ｍ１０ｃがスピントルクなどによって反転すると、第１強磁性層１０ｃと第２強磁性層１２ｃとの間の層間相互作用によって、第２強磁性層１２ｃの磁化Ｍ１２ｃが反転する。さらに、第２強磁性層１２ｃの磁化Ｍ１２ｃが反転したことによって、第２強磁性層１２ｃと第３強磁性層１４ｃの間の層間相互作用によって、第３強磁性層１４ｃの磁化Ｍ１４ｃが反転する。また、第３強磁性層１４ｃの磁化Ｍ１４ｃがスピントルクなどにより反転すると、層間相互作用によって、第２強磁性層１２ｃの磁化Ｍ１２ｃが反転し、第１強磁性層１０ｃの磁化Ｍ１０ｃが反転する。ここで、記録層３１ｃの反転電流を下げ、高熱安定性を保つには磁化Ｍ１０ｃの磁気異方性の大きさを小さくし反転しやすくし、第２強磁性層１２ｃの磁気異方性の大きさを大きくし、高熱安定性を保つ層として設計することが好ましい。磁化Ｍ１０ｃと磁化１２ｃの磁気異方性定数の大きさの最適の大きさは第２強磁性層１２ｃが全体の７０～８５％程度の磁気異方性の大きさを有することが好ましい。

【0084】

層間相互作用は、強磁性層の間の非磁性層の厚さに応じて変わり、２つの強磁性層を強磁性的に結合させたり、反強磁性的に結合させたりする。磁気抵抗効果素子４３では、第１非磁性層１１cと第２非磁性層１３ｃの厚さを、磁気抵抗効果素子４１の第１非磁性層１１ａ及び第２非磁性層１３ａの厚さよりも、薄く又は厚くすることで、第１強磁性層１０ｃ及び第２強磁性層１２ｃを強磁性的に結合させ、第２強磁性層１２ｃ及び第３強磁性層１４ｃとの間を強磁性的に結合させている。第１非磁性層１１cと第２非磁性層１３ｃは、第１非磁性層１１ａ及び第２非磁性層１３ａと同様の材料で形成されている。

【0085】

第１強磁性層１０ｃ、第２強磁性層１２ｃ、第３強磁性層１４ｃは、磁気抵抗効果素子４１の第１強磁性層１０ａと同じ材料で形成されており、磁気抵抗効果素子４３では、各層の膜厚を等しくしている。磁気抵抗効果素子４１は、例えば、第１強磁性層１０ｃ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．４ｎｍ）、第１非磁性層１１ｃ：Ｉｒ（１．１ｎｍ）、第２強磁性層１２ｃ：Ｃｏ－Ｆｅ（２．８ｎｍ）、第２非磁性層１３ｃ：Ｒｕ（１．２５ｎｍ）、第３強磁性層１４ｃ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．４ｎｍ）で構成される。

【0086】

書き込み動作は及び読み出し動作は、磁気抵抗効果素子４１と同様であるので説明は省略する。

【0087】

また、図４Ａと同じ構成には同じ符号を付した図６に示す磁気抵抗効果素子４４のように、記録層３１ｄが、第１強磁性層１０ｄ、非磁性層１１ｄ、第２強磁性層１２ｄでなり、各層がエピタキシャル層である３層膜であり、第１強磁性層１０ｄと第２強磁性層１２ｄを層間相互作用によって強磁性的に結合し、第１強磁性層１０ｄの磁化Ｍ１０ｄと第２強磁性層１２ｄの磁化Ｍ１２ｄの方向がそろっていてもよい。

【0088】

磁気抵抗効果素子４４の一例として、記録層３１ｄは、第１強磁性層１０ｄ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．６ｎｍ）、非磁性層１１ｄ：Ｉｒ（０．７ｎｍ）、第２強磁性層１２ｄ：Ｃｏ－Ｆｅ（１．８ｎｍ）で構成される。

【0089】

（作用及び効果）
上記の構成において、磁気抵抗効果素子４１は、重金属層２と、重金属層２上に設けられた記録層３１ａと、記録層３１ａ上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層３２と、障壁層３２上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層３３とを有する接合部５１とを備え、記録層３１ａは、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、エピタキシャル層である強磁性層（第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａ）を含む積層膜であり、最も重金属層２側の層（第１強磁性層１０ａ）と、最も障壁層側の層（第３強磁性層１４ａ）とが面内方向に磁化した強磁性層であり、重金属層にパルス電流を流すことにより、記録層３１が磁化反転をするように構成した。

【0090】

よって、磁気抵抗効果素子４１は、記録層３１ａがエピタキシャル層である強磁性層を含むので、面内磁気異方性としての結晶磁気異方性により磁化方向が面内となり、形状磁気異方性により磁化方向を面内とする必要がなく、磁気異方性が小さくなり熱安定性が損なわれることも抑制でき、接合部５１のアスペクト比を小さくすることができる。

【0091】

さらに、磁気抵抗効果素子４１は、第１強磁性層１０ａと第２強磁性層１２ａとが層間相互作用によって反強磁性的に結合され、第２強磁性層１２ａと第３強磁性層１４ａとが層間相互作用によって反強磁性的に結合されるようにすることで、第１強磁性層１０及び第３強磁性層１４ａの正極側から出た漏れ磁場が第２強磁性層１２ａの負極側に向かい、第２強磁性層１２ａの正極側から出た漏れ磁場が第１強磁性層１０ａ及び第３強磁性層１４ａの負極側に向かうようにでき、漏れ磁場を抑制できる。よって、磁気抵抗効果素子４１を集積するとき、一の磁気抵抗効果素子４１の漏れ磁場が他の磁気抵抗効果素子４１に影響を与えることを抑制でき、磁気抵抗効果素子１をより高密度に集積した磁気メモリ装置を製造できる。

【0092】

また、磁気抵抗効果素子４１は、記録層（第１強磁性層１０ａ、第２強磁性層１２ａ、第３強磁性層１４ａ）をエピタキシャル層とすることで、重金属層２上に形成した強磁性層を非晶質としたときと比較して抵抗が低くなるため、重金属層２内に生じたスピン流によって接合部３の記録層３１ａを構成する第１強磁性層１０ａにスピンが流入しやすくなり、書き込み電流Ｉｗを小さくでき、省電力化できる。

【0093】

（３）本発明の第３実施形態の磁気抵抗効果素子
上述の面内磁化型の磁気抵抗効果素子のように、面内方向に磁化方向が固定された参照層と、障壁層と、磁化方向が面内であり、参照層の磁化方向に対して、平行又は反平行に磁化反転できる記録層を有する磁気抵抗効果素子では、記録層の面内磁気異方性が低いと記録層の磁化反転がしやすく、書き込み電流Ｉｗや書き込み補助電流Ｉｗａを削減でき、省電力化できる。一方で、記録層の面内磁気異方性が低くなると、記録層の保磁力も低下し、漏れ磁場などの外的な要因によって、記録層の磁化方向が変わり、記録された情報が消失する恐れがある。

【0094】

そこで、第３実施形態では、省電力でデータを記憶でき、安定的にデータを記憶できる磁気抵抗効果素子を提供することを目的としている。

【0095】

図３Ａと同じ構成には同じ符号を付した図７Ａに示すように、磁気抵抗効果素子４５は、第１強磁性層１０ｅ、第１非磁性層１１ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第２非磁性層１３ｅ、第３強磁性層１４ｅがこの順に積層された５層積層膜であり、各層がエピタキシャル層である記録層３１ｅを備えている。第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅは、強磁性体でなり、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ又はＭｎを少なくとも１つ以上含む合金が望ましい。具体的に説明すると、Ｃｏを含む合金としては、Ｃｏ－Ｐｔ、Ｃｏ－Ｐｄ、Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｃｒ－Ｔａ－Ｐｔなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｃｏを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるCo-richであることが望ましい。Ｆｅを含む合金としては、Ｆｅ－Ｐｔ及びＦｅ－Ｐｄなどの合金が望ましく、特に、これらの合金が、Ｆｅを他の元素よりも多く含んでいるいわゆるFe-richであることが望ましい。Ｃｏ及びＦｅを含む合金としては、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｐｔ及びＣｏ－Ｆｅ－Ｐｄなどの合金が望ましい。Ｍｎを含む合金としては、Ｍｎ－Ｇａ及びＭｎ－Ｇｅなどの合金が望ましい。第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅは、上記で説明したＣｏ、Ｆｅ又はＮｉを少なくとも１つ以上含む合金と、Ｔａ、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｏｓ又はＲｅなどの非磁性体との積層膜であってもよい。また、Ｃｏ、Ｆｅ又はＮｉを少なくとも１つ以上含む合金にＢ、Ｃ、Ｎ、Ｏ、Ｐ、Ａｌ及びＳｉなどの元素が多少含まれていてもかまわない。

【0096】

本実施形態では、第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅは、Ｃｏ－Ｆｅで形成している。第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅは、重金属層２上にエピタキシャル成長により形成され、重金属層２に接するエピタキシャル層であり、各強磁性層を構成する材料の格子定数と重金属層２を構成する材料の格子定数の不整合などにより、結晶に歪が生じている。そのため、バルクではｂｃｃ構造の材料で形成された第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅが、エピタキシャル成長した場合、ｂｃｃ構造が歪んだｂｃｔ構造となり、バルクでｆｃｃ構造の材料で形成された第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅがエピタキシャル成長した場合には、ｆｃｃ構造が歪んだｆｃｔ構造となる。第１強磁性層１０ｅ、第２強磁性層１２ｅ、第３強磁性層１４ｅは、この結晶の歪に起因する面内磁気異方性としての結晶磁気異方性が支配的であり、結晶磁気異方性によって面内方向に磁化する。第１非磁性層１１ｅ、第２非磁性層１３ｅは、上記の磁気抵抗効果素子４１と同様の材料で構成され、同様の膜厚に成膜される。記録層３１ｅ以外の構成は、磁気抵抗効果素子４１と同様であるので説明を省略する。

【0097】

記録層３１ｅでは、第１強磁性層１０ｅ（記録層３１ｅの最も重金属層２側の層）の厚さを、記録層３１ｅの強磁性層の厚さの合計値の１０－３０％程度とするのが望ましい。具体的には、第１強磁性層１０ｅの厚さを１．２ｎｍとし、第２強磁性層１２ｅの厚さを３．０ｎｍとし、第３強磁性層１４ｅの厚さを２．１ｎｍとし、漏れ磁場を無くすように各膜厚を微調整しつつ、第１強磁性層１０ｅの厚さが、第２強磁性層１２ｅ及び第３強磁性層１４ｅの厚さよりも薄く形成している。

【0098】

ここで、強磁性層の面内磁気異方性は、Ｅ∝（ＫｕＶ－ＫｉＳ）で表される。Ｋｕは結晶磁気異方性や形状磁気異方性など面内磁気異方性成分、Ｋｉは界面磁気異方性であり垂直方向の磁気異方性成分、Ｖ、Ｓは強磁性層の体積、強磁性層の面積である。強磁性層の体積はＶ＝Ｓ＊ｔ（ｔは強磁性層の厚さ）であり強磁性層の厚さに比例するので、上記式の第１項は強磁性層の厚さに比例して大きくなる。一方で、界面磁気異方性Ｋｉは界面だけに働くので、強磁性層の厚さを厚くしても第２項は変化しない。そのため、強磁性層の面内磁気異方性は、強磁性層の厚さに比例する。

【0099】

第１強磁性層１０ｅは、第２強磁性層１２ｅ及び第３強磁性層１４ｅより薄くすることで、好ましくは、第１強磁性層１０ｅを記録層３１ｅの強磁性層の厚さの合計値の１０－３０％程度の厚さとすることで、面内磁気異方性Ｋｕが低くなり、磁化反転しやすくなる。記録層３１ｅでは、このような磁化反転しやすい第１強磁性層１０ｅを、最も重金属層２側の層側に（本実施形態では、重金属層２上に）設け、書き込み電流Ｉｗによって磁化反転させるようにしているので、第１強磁性層１０ｅの磁化Ｍ１０ｅをより少ない書き込み電流Ｉｗで反転でき、記録層３１ｅを磁化反転させるために必要な書き込み電流Ｉｗを削減でき、より省電力でデータを書き込みできる。一方で、第２強磁性層１２ｅ及び第３強磁性層１４ｅは、第１強磁性層１０ｅより厚さを厚くしているので、面内磁気異方性が高い。第２強磁性層１２ｅ及び第３強磁性層１４ｅは、第１強磁性層１０ａより厚いことから、面内磁気異方性Ｋｕが高く、磁化反転しにくい。そのため、記録層３１ｅ全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層３１ｅの磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。このように、磁気抵抗効果素子４５は、省電力でデータを記憶でき、安定的にデータを記憶できる。

【0100】

また、図７Ａと同じ構成には同じ符号を付した図７Ｂに示す磁気抵抗効果素子４６のように、記録層３１ｆが、第３強磁性層１４ｆ（記録層３１ｆの最も障壁層３２側の層）の厚さを、第１強磁性層１０ｆ及び第２強磁性層１２ｆの厚さより薄く形成されていてもよい。第１強磁性層１０ｆ、第２強磁性層１２ｆ、第３強磁性層１４ｆは、磁気抵抗効果素子４５と同様の材料で形成できる。第１非磁性層１１ｆ、第２非磁性層１３ｆは、上記の磁気抵抗効果素子４５と同様である。

【0101】

記録層３１ｆでは、磁気抵抗効果素子４５の第１強磁性層１０ｅと同様に、第３強磁性層１４ｆの厚さを、記録層３１ｆの強磁性層の厚さの合計値の概ね１０－３０％程度とするのが望ましい。具体的には、例えば、第１強磁性層１０ｆの厚さを２．２ｎｍとし、第２強磁性層１２ｆの厚さを３．５ｎｍとし、第３強磁性層１４ｆの厚さを１．２ｎｍとし、漏れ磁場を無くすように各膜厚を微調整しつつ、第１強磁性層１０ｆの厚さが、第２強磁性層１２ｆ及び第３強磁性層１４ｆの厚さよりも薄く形成している。

【0102】

磁気抵抗効果素子４６では、書き込み補助電流Ｉｗａによって生じるスピントルクにより磁化反転をアシストする第３強磁性層１４ｆを、第１強磁性層１０ｆ及び第２強磁性層１２ｆより薄く、より好ましくは、記録層３１ｆの強磁性層の厚さの合計値の１０－３０％程度の厚さとし、面内磁気異方性Ｋｕを小さくし、磁化反転し易くしている。そのため、磁気抵抗効果素子４６では、より少ない書き込み補助電流Ｉｗａで第３強磁性層１４ｆの磁化Ｍ１４ｆを反転でき、書き込み補助電流Ｉｗａを削減でき、より省電力でデータを書き込みできる。一方で、第１強磁性層１０ｆ及び第２強磁性層１２ｆは、第３強磁性層１４ｆより厚いことから、面内磁気異方性が高く、磁化反転しにくい。そのため、記録層３１ｆ全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層３１ｆの磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。このように、磁気抵抗効果素子４６は、省電力でデータを記憶でき、安定的にデータを記憶できる。

【0103】

また、図７Ａと同じ構成には同じ符号を付した図７Ｃに示す磁気抵抗効果素子４７のように、記録層３１ｇが、第１強磁性層１０ｇ（記録層３１ｇの最も重金属層２側の層）及び第３強磁性層１４ｇ（記録層３１ｇの最も障壁層３２側の層）の厚さを、第２強磁性層１２ｇの厚さより薄く形成されていてもよい。第１強磁性層１０ｇ、第２強磁性層１２ｇ、第３強磁性層１４ｇは、磁気抵抗効果素子４５と同様の材料で形成できる。第１非磁性層１１ｇ、第２非磁性層１３ｇは、上記の磁気抵抗効果素子４５と同様である。

【0104】

記録層３１ｇでは、第１強磁性層１０ｇ及び第２強磁性層１２ｇの厚さを、それぞれ、記録層３１ｇの強磁性層の厚さの合計値の１０－２５％程度とし、第２強磁性層１２ｇの厚さを、記録層３１ｇの強磁性層の厚さの合計値の６５－８５％程度とするのが望ましい。一例としては、第１強磁性層１０ｇの厚さは１．０ｎｍ程度であり、第２強磁性層１２ｇの厚さは６．０ｎｍ程度であり、第３強磁性層１４ｇの厚さは１．０ｎｍ程度であり、漏れ磁場を無くすように各膜厚を微調整する。

【0105】

磁気抵抗効果素子４７では、第１強磁性層１０ｇ及び第２強磁性層１２ｇが記録層３１ｇの強磁性層の厚さの合計値の１０－２５％を占め、第２強磁性層１２ｇが記録層３１ｇの強磁性層の厚さの合計値の６５－８５％程度を占めるようにすることで、書き込み電流Ｉｗによって磁化反転する第１強磁性層１０ｇと、書き込み補助電流Ｉｗａによって生じるスピントルクにより磁化反転をアシストする第３強磁性層１４ｇとが薄くなり、面内磁気異方性Ｋｕが小さくなって、磁化反転し易くなる。そのため、書き込み電流Ｉｗ及び書き込み補助電流Ｉｗａを削減でき、よりいっそう省電力でデータを書き込みできる。

【0106】

一方で、第２強磁性層１２ｇは、強磁性層の厚さの合計値の６５－８５％程度であるので、面内磁気異方性Ｋｕが高く、記録層３１ｇ全体の面内磁気異方性Ｋｕの８０％程度を担う。よって、記録層３１ｇ全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層３１ｇの磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。このように、磁気抵抗効果素子４７は、第２強磁性層１２ｇが記録層３１ｇの強磁性層の厚さの合計値の６５－８５％程度を占めるようにすることで、書き込み電流Ｉｗに加えて書き込み補助電流Ｉｗａも削減できるのでより省電力化でき、かつ、第２強磁性層１２ｇの厚さが厚くなり、記録層３１ｇ全体の面内磁気異方性Ｋｕの８０％を担うようになるので、記録層３１ｇの保磁力を高めることができ、安定的に記憶できるので、最も望ましい。磁気抵抗効果素子４７は、省電力でデータを記憶でき、安定的にデータを記憶できる。

【0107】

また、上記の記録層３１ｅ、３１ｆ、３１ｇは、第３強磁性層１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ上にＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などで形成された１ｎｍ以下の非磁性層と、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ及びＣｏ－Ｂなどの強磁性体で形成されたアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）とをこの順に備えていてもよい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層３２をアモルファス強磁性体上にエピタキシャル成長させることとなり、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。そして、記録層３１ｅ、３１ｆ、３１ｇのアモルファス強磁性層は、層間相互作用により、第３強磁性層１４ｅ、１４ｆ、１４ｇと磁化が強磁性的に結合し、面内方向に磁化が向く。この場合、書き込み補助電流Ｉｗａにより磁化反転がアシストされる層は、アモルファス強磁性層となる。アモルファス強磁性層は、エピタキシャル層ではないので結晶磁気異方性は小さく、面内磁気異方性が小さい。また、第１強磁性層１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、第２強磁性層１２ｅ、１２ｆ、１２ｇ及び第３強磁性層１４ｅ、１４ｆ、１４ｇよりアモルファス強磁性層の厚さが薄ければ、さらに面内磁気異方性が小さく、磁化反転しやすい。そのため、アモルファス強磁性層を有するようにすることで、書き込み補助電流Ｉｗａを削減でき、省電力化できる。

【0108】

加えて、図４Ａと同じ構成には同じ符号を付した図８Ａに示す磁気抵抗効果素子４８のように、第１強磁性層１０ｈ、非磁性層１１ｈ、第２強磁性層１２ｈがこの順に積層された３層膜であり、各層がエピタキシャル層である記録層３１ｈを備え、第１強磁性層１０ｈ（記録層３１ｈの最も重金属層２側の層）が第２強磁性層１２ｈよりも薄く形成されていてもよい。この場合、第１強磁性層１０ｈ、第２強磁性層１２ｈは、磁気抵抗効果素子４５の強磁性層と同様の材料で形成できる。非磁性層１１ｈは、上記の磁気抵抗効果素子４５と同様である。

【0109】

記録層３１ｈでは、第１強磁性層１０ｈの厚さを記録層３１ｈの強磁性層の厚さの合計値の１０－３５％程度とし、第２強磁性層１２ｈの厚さを記録層３１ｈの強磁性層の厚さの合計値の６５－９０％程度とするのが望ましい。具体的には、例えば、第１強磁性層１０ｈの厚さを２ｎｍとし、第２強磁性層１２ｈの厚さを８ｎｍとし漏れ磁場を無くすように各膜厚を微調整しつつ、第１強磁性層１０ｈの厚さが、第２強磁性層１２ｈの厚さよりも薄く形成している。

【0110】

磁気抵抗効果素子４８では、第１強磁性層１０ｈの厚さを記録層３１ｈの強磁性層の厚さの合計値の１０－３５％程度とし、書き込み電流Ｉｗによって磁化反転させる第１強磁性層１０ｈの厚さを薄くして面内磁気異方性Ｋｕを小さくし、磁化反転し易くしているので、書き込み電流Ｉｗを削減でき、より省電力でデータを書き込みできる。一方で、第２強磁性層１２ｈは、厚さを、記録層３１ｈの強磁性層の厚さの合計値の６５－９０％程度としているので、面内磁気異方性Ｋｕが高く、記録層３１ｈ全体の面内磁気異方性Ｋｕの８０％程度を担う。そのため、記録層３１ｈ全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層３１ｈの磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。このように、磁気抵抗効果素子４８は、省電力でデータを記憶でき、安定的にデータを記憶できる。

【0111】

さらに、図８Ａと同じ構成には同じ符号を付した図８Ｂに示す磁気抵抗効果素子４９のように、第２強磁性層１２ｉ（記録層３１ｉの最も障壁層３２側の層）が第１強磁性層１０ｉよりも薄く形成されていてもよい。この場合、第１強磁性層１０ｉ、第２強磁性層１２ｉは、磁気抵抗効果素子４５の強磁性層と同様の材料で形成できる。非磁性層１１ｉは、上記の磁気抵抗効果素子４５と同様である。

【0112】

記録層３１ｉでは、第２強磁性層１２ｉの厚さを記録層３１ｉの強磁性層の厚さの合計値の１０－３５％程度とし、第１強磁性層１０ｉの厚さを記録層３１ｉの強磁性層の厚さの合計値の６５－９０％程度とするのが望ましい。具体的には、例えば、第１強磁性層１０ｉの厚さを７ｎｍとし、第２強磁性層１２ｉの厚さを１．１ｎｍとし、漏れ磁場を無くすように各膜厚を微調整しつつ、第２強磁性層１２ｉの厚さが、第１強磁性層１０ｉの厚さよりも薄く形成している。

【0113】

磁気抵抗効果素子４９では、第２強磁性層１２ｉの厚さを記録層３１ｉの強磁性層の厚さの合計値の１０－３５％程度とし、書き込み補助電流Ｉｗａによって生じるスピントルクにより磁化反転をアシストする第２強磁性層１２ｉの面内磁気異方性Ｋｕを小さくし、磁化反転し易くしているので、書き込み補助電流Ｉｗａを削減でき、より省電力でデータを書き込みできる。一方で、第１強磁性層１０ｉは、厚さが記録層３１ｉの強磁性層の厚さの合計値の６５－９０％程度であり、面内磁気異方性Ｋｕが高く、記録層３１ｉ全体の面内磁気異方性Ｋｕの８０％程度を担う。そのため、記録層３１ｉ全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層３１ｉの磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。このように、磁気抵抗効果素子４９は、省電力でデータを記憶でき、安定的にデータを記憶できる。

【0114】

また、上記の記録層３１ｈ、３１ｉは、第２強磁性層１２ｈ、１２ｉ上にＴａ、Ｗ、Ｍｏ又はこれらの元素を少なくとも１つ以上含む非磁性の合金などを含む１ｎｍ以下の非磁性層と、例えばＣｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｆｅ－Ｂ及びＣｏ－Ｂなどの強磁性体で形成されたアモルファス強磁性層（０．６ｎｍ～２．０ｎｍ程度）とをこの順に備えていてもよい。このようにすることで、ＭｇＯ（１００）でなる障壁層３２をアモルファス強磁性体上にエピタキシャル成長させることとなり、ＭｇＯ（１００）の配向性の面内均一性が向上し、抵抗変化率（ＭＲ変化率）の均一性を向上することが可能である。そして、記録層３１ｈ、３１ｉのアモルファス強磁性層は、層間相互作用により、第２強磁性層１２ｈ、１２ｉと磁化が強磁性的に結合し、面内方向に磁化が向く。この場合、書き込み補助電流Ｉｗａにより磁化反転がアシストされる層は、アモルファス強磁性層となる。アモルファス強磁性層は、エピタキシャル層ではないので結晶磁気異方性は小さく、面内磁気異方性が小さい。また、第１強磁性層１０ｈ、１０ｉ及び第２強磁性層１２ｈ、１２ｉよりアモルファス強磁性層の厚さが薄ければ、さらに面内磁気異方性が小さく、磁化反転しやすい。そのため、アモルファス強磁性層を有するようにすることで、書き込み補助電流Ｉｗａを削減でき、省電力化できる。

【0115】

また、第３実施形態では、面内磁気異方性としての結晶磁気異方性によって、記録層の強磁性層が面内に磁化している場合を例に説明したが、記録層の強磁性層が面内磁気異方性としての形状磁気異方性により面内に磁化していてもよく、形状磁気異方性の場合は、強磁性層が多結晶及びアモルファスでもよい。この場合も、最も重金属層側の強磁性層又は最も障壁層側の強磁性層の少なくとも１つを他の強磁性層より薄くすることで、書き込み電流Ｉｗによって磁化反転される強磁性層又は書き込み補助電流Ｉｗａによって磁化反転がアシストされる強磁性層を磁化反転し易くし、書き込み電流Ｉｗ又は書き込み補助電流Ｉｗａの少なくとも１つを削減でき、省電力化できる。そして、当該他の強磁性層は、最も重金属層側の強磁性層又は最も障壁層側の強磁性層よりも厚いので、面内磁気異方性が高く、記録層全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層の磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。また、重金属層２は、エピタキシャル層ではなくアモルファス層であってもよい。さらに、第１非磁性層１１ｅ、１１ｆ、１１ｇ、第２非磁性層１３ｅ、１３ｆ、１３ｇ、非磁性層１１ｈ、１１ｉは、アモルファス層であってもよい。この場合は、エピタキシャル層である強磁性層上にアモルファスの非磁性層を形成し、その上に、エピタキシャル層である強磁性層を張り合わせることで、積層膜を形成する。

【0116】

（作用及び効果）
第３実施形態の磁気抵抗効果素子は、重金属層２と、重金属層２上に設けられた記録層（記録層３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ、３１ｈ、３１ｉ）と、記録層３１ｅ上に設けられ、絶縁体で構成された障壁層３２と、障壁層３２上に設けられ、磁化が面内方向に固定された参照層３３とを有する接合部（接合部５５、５６、５７、５８、５９）とを備え、記録層（記録層３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ、３１ｈ、３１ｉ）は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層され、最も重金属層２側の層（第１強磁性層１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ）と、最も障壁層３２側の層（第３強磁性層１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、第２強磁性層１２ｈ、１２ｉ）とが強磁性層である積層膜であり、強磁性層が面内方向に磁化しており、記録層の最も重金属層側の層（第１強磁性層１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、１０ｈ、１０ｉ）又は最も障壁層側の層（第３強磁性層１４ｅ、１４ｆ、１４ｇ、第２強磁性層１２ｈ、１２ｉ）の少なくとも１つが記録層（記録層３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ、３１ｈ、３１ｉ）の他の強磁性層よりも薄く重金属層２にパルス電流（書き込み電流Ｉｗ）を流すことにより、記録層（記録層３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ、３１ｈ、３１ｉ）が磁化反転をするように構成した。

【0117】

よって、磁気抵抗効果素子は、最も重金属層側の強磁性層又は最も障壁層側の強磁性層の少なくとも１つを他の強磁性層より薄くすることで、書き込み電流Ｉｗによって磁化反転される強磁性層又は書き込み補助電流Ｉｗａによって磁化反転がアシストされる強磁性層を磁化反転し易くし、書き込み電流Ｉｗ又は書き込み補助電流Ｉｗａの少なくとも１つを削減でき、省電力化できる。そして、当該他の強磁性層は、最も重金属層側の強磁性層又は最も障壁層側の強磁性層よりも厚いので、面内磁気異方性が高く、記録層全体の保磁力を高めることができ、外部からの影響による記録層の磁化方向の反転を抑制し、データを安定的に記憶できる。

【0118】

（４）本発明の磁気抵抗効果素子を備えた磁気メモリ装置
次に、上記構成を有する磁気抵抗効果素子１を記憶素子として使用するメモリセル回路の構成例を、図２Ａと同じ構成には同じ符号を付した図９Ａを参照して説明する。図９Ａは、１ビット分の磁気メモリセル回路２００の構成を示している。この磁気メモリセル回路２００は、１ビット分のメモリセルを構成する磁気抵抗効果素子１と、第１ビット線ＢＬ１と、第２ビット線ＢＬ２と、アシスト線ＡＬと、ワード線ＷＬと、第１トランジスタＴｒ１と、第２トランジスタＴｒ２とを備える。

【0119】

磁気抵抗効果素子１は、重金属層２の一端部の下面に第１端子Ｔ１、他端部の下面に第２端子Ｔ２が接続され、反強磁性層３４又はその上に設けられたＣａｐ層（図９Ａには不図示）上に第３端子Ｔ３が配置された３端子構造を有する。なお、説明の便宜上、図９Ａでは、重金属層２の下部のＭｇＯ層２１及びアモルファス金属層２０を省略している。重金属層２は、ＭｇＯ層２１及びアモルファス金属層２０に形成されたスルーホールなどを介して、第１端子Ｔ１及び第２端子Ｔ２とコンタクトされていても良いが、重金属層２にコンタクトを取っても良く、電気的に接続されていれば良い。

【0120】

第３端子Ｔ３はアシスト線ＡＬに接続されている。第１端子Ｔ１は第１トランジスタＴｒ１のドレインに接続されている。第２端子Ｔ２は第２トランジスタＴｒ２のドレインに接続されている。第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２のゲート電極はワード線ＷＬに接続されている。第１トランジスタＴｒ１のソースは第１ビット線ＢＬ１に接続されている。第２トランジスタＴｒ２のソースは第２ビット線ＢＬ２に接続されている。

【0121】

磁気抵抗効果素子１にデータを書き込む方法は次の通りである。まず、磁気抵抗効果素子１を選択するため、ワード線ＷＬに第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２をオンさせるアクティブレベルの信号を印加する。ここでは、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２がＮチャネルＭＯＳトランジスタから構成されているものとする。この場合、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定される。これによって第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２はオン状態になる。一方、書き込み対象のデータに応じて、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の一方をＨｉｇｈレベルに設定し、他方をＬｏｗレベルに設定する。

【0122】

具体的には、データ“０”を書き込む場合は、第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＨｉｇｈレベルとする。これにより、第２端子Ｔ２から第１端子Ｔ１（図２Ａの紙面奥側から紙面手前側に相当）に書き込み電流Ｉｗが流れ、データ“１”が書き込まれる。このとき、アシスト線ＡＬをＨｉｇｈレベルとすることで、第３端子Ｔ３から第１端子Ｔ１に書き込み補助電流Ｉｗａを流し、記録層３１の磁化反転をアシストするようにしてもよい。一方、データ“１”を書き込む場合は、第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＬｏｗレベルとする。これにより、第１端子Ｔ１から第２端子Ｔ２（図２Ｂの紙面手前側から紙面奥側に相当）に書き込み電流Ｉｗが流れ、データ“１”が書き込まれる。このとき、アシスト線ＡＬをＬｏｗレベルとすることで、第１端子Ｔ１から第３端子Ｔ３に書き込み補助電流Ｉｗａを流し、記録層３１の磁化反転をアシストするようにしてもよい。このようにして、磁気抵抗効果素子１へのビットデータの書き込みが行われる。

【0123】

磁気抵抗効果素子１に記憶されているデータを読み出す方法は次の通りである。まず、ワード線ＷＬをアクティブレベルに設定し、第１トランジスタＴｒ１と第２トランジスタＴｒ２とをオン状態とする。第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の両方をＨｉｇｈレベルに設定する、或いは、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の一方をＨｉｇｈレベルに、他方を開放状態に設定する。そして、アシスト線ＡＬをＬｏｗレベルにする。Ｈｉｇｈレベルとなったビット線より重金属層２→記録層３１→障壁層３２→参照層３３→反強磁性層３４→第３端子Ｔ３→アシスト線ＡＬと読み出し電流Ｉｒｅが流れる。この電流の大きさを測定することにより、重金属層２から反強磁性層３４に至る経路の抵抗の大きさ、即ち、記憶データを判別することができる。

【0124】

なお、磁気メモリセル回路２００の構成や回路動作は一例であって、適宜変更されうる。例えば、データを読み出すため、ワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルにセットするとともに、アシスト線ＡＬをＨｉｇｈレベルにセットし、第１ビット線と第２ビット線の一方又は両方をＬｏｗレベルとする。このようにして、読み出し電流Ｉｒｅをアシスト線ＡＬから第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２に流すように構成してもよい。書き込み補助電流Ｉｗａを流さない場合は、第３端子Ｔ３をグラウンド線に接続するようにしてもよい。また、図９Ｂに示す磁気メモリセル回路２００ａのように、重金属層２の一端部の上面に第１端子Ｔ１を設け、重金属層２の他端部の上面に第２端子Ｔ２を設けるようにしてもよい。

【0125】

次に、図９Ａに例示した磁気メモリセル回路２００を複数備える磁気メモリ装置３００の構成を、図１０を参照して説明する。磁気メモリ装置３００は、図１０に示すように、メモリセルアレイ３１１、Ｘドライバ３１２、Ｙドライバ３１３、コントローラ３１４を備えている。メモリセルアレイ３１１はＮ行Ｍ列のアレイ状に配置された磁気メモリセル回路２００を有している。各列の磁気メモリセル回路２００は対応する列の第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の対に接続されている。また、各行の磁気メモリセル回路２００は、対応する行のワード線ＷＬとアシスト線ＡＬに接続されている。

【0126】

Ｘドライバ３１２は、複数のワード線ＷＬとアシスト線ＡＬとに接続されており、受信したローアドレスをデコードして、アクセス対象の行のワード線ＷＬをアクティブレベルに駆動すると共に、アシスト線ＡＬをＨｉｇｈレベル又はＬｏｗレベルに設定する。例えば、第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２がＮチャネルＭＯＳトランジスタの場合、Ｘドライバ３１２はワード線ＷＬをＨｉｇｈレベルにする。

【0127】

Ｙドライバ３１３は、磁気抵抗効果素子１にデータを書き込む書き込み手段及び磁気抵抗効果素子１からデータを読み出す読み出し手段として機能する。Ｙドライバ３１３は、複数の第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２に接続されている。Ｙドライバ３１３は、受信したカラムアドレスをデコードして、アクセス対象の磁気メモリセル回路２００に接続されている第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２をデータ書き込み状態或いは読み出し状態に設定する。

【0128】

データ“０”の書き込みにおいて、Ｙドライバ３１３は書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＬｏｗレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＨｉｇｈレベルとする。書き込み補助電流Ｉｗａを流す場合は、Ｘドライバ３１２が、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００の属する行のアシスト線ＡＬをＨｉｇｈレベルとする。また、データ“１”の書き込みにおいてＹドライバ３１３は、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１をＨｉｇｈレベルとし、第２ビット線ＢＬ２をＬｏｗレベルとする。書き込み補助電流Ｉｗａを流す場合は、Ｘドライバ３１２が、書き込み対象の磁気メモリセル回路２００の属する行のアシスト線ＡＬをＬｏｗレベルとする。さらに、磁気メモリセル回路２００に記憶されているデータの読み出しにおいて、Ｙドライバ３１３は、まず、読み出し対象の磁気メモリセル回路２００に接続された第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の両方をＨｉｇｈレベルに、或いは、第１ビット線ＢＬ１と第２ビット線ＢＬ２の一方をＨｉｇｈレベルに、他方を開放状態に設定する。Ｘドライバ３１２は、読み出し対象の磁気メモリセル回路２００の属する行のアシスト線ＡＬをＬｏｗレベルとする。そして、Ｙドライバ３１３は、第１ビット線ＢＬ１、第２ビット線ＢＬ２を流れる電流と基準値とを比較して、各列の磁気メモリセル回路２００の抵抗状態を判別し、これにより、記憶データを読み出す。

【0129】

コントローラ３１４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３１２とＹドライバ３１３のそれぞれを制御する。なお、磁気抵抗効果素子１の代わりに、上記で説明した磁気抵抗効果素子４１などを適用することもできる。

【0130】

また、本実施形態の磁気抵抗効果素子１は、上記のように、書き込み電流Ｉｗに加えて書き込み補助電流Ｉｗａを流し、スピン軌道トルクを利用した記録層３１の磁化反転をスピン注入磁化反転によりアシストできるので、図１１Ａに示すように、第１方向に延伸された１つの細長形状の重金属層２上に、複数（例えば８個）の接合部３を第１方向（重金属層２の長手方向）に配列し、一の磁気抵抗効果素子１の重金属層２を他の複数の磁気抵抗効果素子１が共有している磁気抵抗効果素子アレイ４００とすることもできる。すなわち、磁気抵抗効果素子アレイ４００は、磁気抵抗効果素子１を複数有し、一の磁気抵抗効果素子１の重金属層２が第１方向に延伸され、延伸された重金属層２を他の複数の磁気抵抗効果素子１が共有し、重金属層２上で、接合部３が第１方向に配列されている。そして、このような磁気抵抗効果素子アレイ４００を複数個用意して磁気メモリ装置４１０を構成できる。磁気メモリ装置４１０では、１つの接合部３を１ビットとしてデータを記憶する。なお、磁気抵抗効果素子アレイ４００の重金属層２のサイズは、接合部のサイズや接合部の数などに応じて適宜選定することがで、例えば、重金属層２の幅を、図１Ａに示した磁気抵抗効果素子１と同様に接合部３の幅よりも大きくしてもよく、図１Ｂに示した磁気抵抗効果素子１ｂと同様に接合部３と同じサイズにしてもよい。

【0131】

また、図１１Ｂに示すように、磁気抵抗効果素子アレイ４００は、一端がグラウンドに接続され、他端がトランジスタ４２１を介してコントロール線４２０に接続されている。例えば、コントロール線４２０の電位をグラウンドよりＬｏｗレベルに設定し、トランジスタ４２１をオンにする（ゲートに電圧を印加する）ことで、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを－ｙ方向に流すことができる。そして、オンにするトランジスタ４２１を選択することで、書き込み電流Ｉｗを流す磁気抵抗効果素子アレイを選択できる。なお、図１１Ａ、図１１Ｂでは、便宜上、接合部３の記録層３１、障壁層３２、参照層３３のみを図示している。また、ここでは、接合部３を設けた磁気抵抗効果素子アレイ４００を１例として説明するが、図７Ｃに示す磁気抵抗効果素子４７のように、第１強磁性層１０ｇ、第１非磁性層１１ｇ、第２強磁性層１２ｇ、第２非磁性層１３ｇ、第３強磁性層１４ｇの５層積層膜で各層がエピタキシャル層である積層フェリ構造をし、第１強磁性層１０ｇと第３強磁性層１４ｇとが第２強磁性層１２ｇより薄い記録層３１ｇを有する接合部５７を複数個備える磁気抵抗効果素子アレイとするのが最も有利である。この場合、漏れ磁場を抑制できるので、より高密度にきおくすることができ、書き込み電流Ｉｗと書き込み補助電流Ｉｗａとを削減できるので、より省電力化できる。

【0132】

磁気抵抗効果素子アレイ４００では、記録層が磁化反転しない程度の大きさで書き込み電流Ｉｗを、第１方向（重金属層２の長手方向）に沿って、重金属層２の一端部と他端部との間に流しつつ、所定の接合部３にのみ書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、所定の磁気抵抗効果素子の記録層を選択的に磁化反転させることができる。書き込み補助電流Ｉｗａは、書き込み時間はかかるが、それのみによっても記録層を磁化反転させることができるので、書き込み電流Ｉｗでの書き込みを書き込み補助電流Ｉｗａでアシストすることで、半選択による誤書込みを抑制でき、より多ビット磁気メモリ装置を構成できる。

【0133】

このような磁気メモリ装置４１０について、図１２Ａ、図１２Ｂを参照してより具体的に説明する。図１２Ａは、磁気メモリ装置４１０の全体構成を示す概略図であり、図１２Ｂは、図１２ＡのＢ－Ｂ’断面図である。磁気メモリ装置４１０は、複数の磁気抵抗効果素子アレイ４００が並列に配置されており、各磁気抵抗効果素子アレイ４００の重金属層２の一端がトランジスタ４２１を介してコントロール線４２０に接続されている。トランジスタ４２１は、ＦＥＴ型のトランジスタであり、ドレイン４１２ｂが重金属層２に接続され、ソース４１２ｃがコントロール線４２０に接続されている。また、重金属層２の他端は、スルーホール４２２などを介して図示しないグラウンドに接続されている。実際には、図１２Ｂに示すように、トランジスタ４２１が重金属層２よりも下層に設けられており、重金属層２は、図示しない層間絶縁膜に設けられたスルーホール４２２ａ、４２２ｂ、４２２ｃ、４２２ｄと、金属電極層４２３ａ、４２３ｂ、４２３ｃとを介して、トランジスタ４２１のドレイン４２１ｂに接続されている。コントロール線４２０は、スルーホール４２２ｄを介してトランジスタ４２１のソース４２１ｃに接続されている。そして、トランジスタ４２１のゲート４２１ａに電圧を印加することで、後述のように重金属層２の長手方向に沿って重金属層２の一端部と他端部の間に書き込み電流Ｉｗを流せるようになされている。

【0134】

そして、コントロール線４２０をグラウンドよりＬｏｗレベルにすることで、重金属層２を－ｙ方向に書き込み電流Ｉｗを流し、コントロール線４２０をグラウンドよりＨｉｇｈレベルにすることで、重金属層２を＋ｙ方向に書き込み電流Ｉｗを流せるようにしている。接合部３上には、電極４０１が形成されている。電極４０１には、図示しないアシスト線ＡＬに接続されており、例えば、アシスト線ＡＬをコントロール線４２０よりＨｉｇｈレベルにすることで、読み出し電流Ｉｒｅと書き込み補助電流Ｉｗａとを電極４０１から接合部３に流せるようになされている。

【0135】

磁気メモリ装置４１０では、所定のトランジスタ４２１のゲート４２１ａに電圧を印加することで、書き込み電流Ｉｗを流す磁気抵抗効果素子アレイ４００の重金属層２を選択し、ビットラインをコントロール線４２０よりＨｉｇｈレベルにするかＬｏｗレベルにするかで、書き込み電流Ｉｗを流す方向を選択し、書き込み補助電流Ｉｗａを流す接合部３を選択することで、所定の接合部３の記録層のみ磁化反転させることができる。一方で、アシスト線ＡＬをコントロール線４２０よりＨｉｇｈレベルにすることで、コントロール線４２０から重金属層２を介して接合部３に読み出し電流Ｉｒｅを流すことで、接合部３毎に、すなわち、１ビットずつ記憶されたデータを読み出すことができる。

【0136】

上述のメモリ装置では、１ビットずつデータを読み出していたため、読み出しに時間がかかる。そこで、以下では、重金属層２のスピンホール角の符号が負の時を例にとり、より早くデータを読み出すことのできる磁気メモリ装置について説明する。

【0137】

図１１Ａ、図１２Ａと同じ構成には同じ符号を付した図１３Ａ、１３Ｂに示す磁気メモリ装置４１００は、重金属層２上に複数の接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈ（ビットともいう）を備える磁気抵抗効果素子アレイ４００と、ビットセレクター３６と、差動アンプ３７とを備えている。図１３Ａ、図１３Ｂでは、便宜上、１つの磁気抵抗効果素子アレイ４００を示しているが、磁気メモリ装置４１００は、複数の磁気抵抗効果素子アレイ４００と、各磁気抵抗効果素子アレイ４００に接続されたビットセレクター３６と差動アンプ３７とを備えている。また、磁気抵抗効果素子アレイ４００に設けられた接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈは、便宜的に異なる符号を付しているが、すべて同じ構成である。なお、重金属層２上に設ける接合部の数は、特に限定されない。また、このような磁気メモリ装置４１００に用いる接合部として、接合部３のかわりに、上記の接合部５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９を用いてもよい。さらに磁気メモリ装置４１００の接合部は、磁化反転可能な記録層、障壁層及び磁化方向が固定された参照層を有する磁気トンネル接合であれば特に限定されず、記録層及び参照層の強磁性層が、形状磁気異方性などの他の磁気異方性により面内方向に磁化していてもよく、界面磁気異方性などにより面内方向に対して垂直な方向に磁化していてもよい。

【0138】

重金属層２は、一端がビット線ＢＬに接続され他端がコントロール線４２０に接続されている。重金属層２は、ビット線ＢＬとコントロール線４２０の電圧レベルに応じて、ビット線ＢＬからコントロール線４２０に、又は、コントロール線４２０からビット線ＢＬに、すなわち、重金属層２の一端部と他端部の間に、各ビットのデータをリセットする(各記録層３１の磁化方向を所定方向に揃える)リセット電流Ｉｓや書き込み電流Ｉｗを流される。ビットセレクター３６は、アシスト線ＡＬ１、アシスト線ＡＬ２と、差動アンプ３７と、配線３５を介して各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈとに接続されている。接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの参照層３３の磁化方向はプラスｘ方向（図１３Ａの紙面手前側から紙面奥側に向かう方向）に揃えられている。

【0139】

ビットセレクター３６は、アシスト線ＡＬ１に電気的に接続する接合部と、アシスト線ＡＬ２に電気的に接続する接合部とを選択する。図１４に示すように、ビットセレクター３６は、第１トランジスタＴｒ１ａ、Ｔｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃ、Ｔｒ１ｄ、Ｔｒ１ｅ、Ｔｒ１ｆ、Ｔｒ１ｇ、Ｔｒ１ｈと、第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃ、Ｔｒ２ｄ、Ｔｒ２ｅ、Ｔｒ２ｆ、Ｔｒ２ｇ、Ｔｒ２ｈと、第３トランジスタＴｒ３ａ、Ｔｒ３ｂと、これらのトランジスタのオン状態（電流がながれ得る状態）とオフ状態（電流が流れない状態）を制御するドライバ３６ａとを備えている。本実施形態では、これらのトランジスタすべてはＦＥＴ型のトランジスタであるが、オン状態とオフ状態とを切り替え可能な素子であれば、特に限定されない。

【0140】

第１トランジスタＴｒ１ａ、Ｔｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃ、Ｔｒ１ｄ、Ｔｒ１ｅ、Ｔｒ１ｆ、Ｔｒ１ｇ、Ｔｒ１ｈは、ソース側にアシスト線ＡＬ１が接続されている。同様に、第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃ、Ｔｒ２ｄ、Ｔｒ２ｅ、Ｔｒ２ｆ、Ｔｒ２ｇ、Ｔｒ２ｈは、ソース側にアシスト線ＡＬ２が接続されている。そして、第１トランジスタＴｒ１ａのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ａのドレイン側とが結線されて配線３５を介して接合部３ａに接続されている。

【0141】

同様に、第１トランジスタＴｒ１ｂのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｂのドレイン側とが結線されて接合部３ｂに接続され、第１トランジスタＴｒ１ｃのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｃのドレイン側とが結線されて接合部３ｃに接続され、第１トランジスタＴｒ１ｄのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｄのドレイン側とが結線されて接合部３ｄに接続されている。そして、第１トランジスタＴｒ１ｅのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｅのドレイン側とが結線されて接合部３ｅに接続され、第１トランジスタＴｒ１ｆのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｆのドレイン側とが結線されて接合部３ｆに接続されている。また、第１トランジスタＴｒ１ｇのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｇのドレイン側とが結線されて接合部３ｇに接続され、第１トランジスタＴｒ１ｈのドレイン側と第２トランジスタＴｒ２ｈのドレイン側とが結線されて接合部３ｈに接続されている。

【0142】

このように、ビットセレクター３６は、第１トランジスタＴｒ１ａ、Ｔｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃ、Ｔｒ１ｄ、Ｔｒ１ｅ、Ｔｒ１ｆ、Ｔｒ１ｇ、Ｔｒ１ｈをオン状態とすることで、接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈをアシスト線ＡＬ１に電気的に接続できる。同様に、ビットセレクター３６は、第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｂ、Ｔｒ２ｃ、Ｔｒ２ｄ、Ｔｒ２ｅ、Ｔｒ２ｆ、Ｔｒ２ｇ、Ｔｒ２ｈをオン状態とすることで、接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈをアシスト線ＡＬ２に電気的に接続できる。

【0143】

また、第３トランジスタＴｒ３ａは、ドレイン側にアシスト線ＡＬ１が接続され、ソース側に差動アンプ３７のプラス端子が接続されており、オン状態のとき、差動アンプ３７のプラス端子をアシスト線ＡＬ１に電気的に接続する。第３トランジスタＴｒ３ｂドレイン側にアシスト線ＡＬ２が接続され、ソース側に差動アンプ３７のマイナス端子が接続されており、オフ状態のとき、差動アンプ３７のマイナス端子をアシスト線ＡＬ２に電気的に接続する。ドライバ３６ａは、図示しない配線によって各トランジスタのゲートに接続されており、ゲートに電圧を印加することで、トランジスタをオフ状態からオン状態にする。

【0144】

例えば、ビットセレクター３６は、第１トランジスタＴｒ１ａをオン状態とし、第２トランジスタＴｒ２ａをオフ状態とすることで、アシスト線ＡＬ１と電気的に接続する接合部として接合部３ａを選択できる。同様に、ビットセレクター３６は、第１トランジスタＴｒ１ｂをオフ状態とし、第２トランジスタＴｒ２ｂをオン状態とすることで、アシスト線ＡＬ２と電気的に接続する接合部として接合部３ｂを選択できる。このとき、アシスト線ＡＬ１をｈｉｇｈレベルに設定し、アシスト線ＡＬ２をｌｏｗレベルに設定すると、アシスト線ＡＬ１から、接合部３ａ、重金属層２、接合部３ｂ、アシスト線ＡＬ２の順に電流がながれ、接合部３ａ、接合部３ｂに書き込み補助電流Ｉｗａを流すことができる。書き込み補助電流Ｉｗａは、アシスト線ＡＬ１に電気的に接続された一の接合部の参照層から重金属層２を介してアシスト線ＡＬ２に電気的に接続された他の接合部の参照層に向けて流れる。このように、磁気メモリ装置４１００では、アシスト線ＡＬ１に電気的に接続した接合部からアシスト線Ａｌ２に電気的に接続した接合部に、又は、その逆方向に書き込み補助電流Ｉｗａを流すことができる。

【0145】

磁気メモリ装置４１００では、書き込み補助電流Ｉｗａが２つの接合部を流れることから、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流し、書き込み補助電流Ｉｗａを流すことで、２つの接合部に同時にデータを書き込むことができる。このように、磁気メモリ装置４１００は、２つの接合部をセットとして書き込みを行う。

【0146】

ここで、書き込み補助電流Ｉｗａには、接合部を流れる向きによって磁化反転がアシストされる場合と磁化反転がアシストされない場合がある。このことについて、図１３Ａ、図１３Ｂと同じ構成には同じ符号を付した図１５Ａ、１５Ｂを用いて説明する。図１５Ａ、１５Ｂは、磁気抵抗効果素子アレイ４００の接合部３ａをｙ方向に切断した場合の断面図である。図１５Ａは、反平行状態の接合部３ａを平行状態にするために、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを－ｙ方向（紙面奥側から紙面手前側に向かう方向）に流し、書き込み補助電流Ｉｗａを接合部３ａに、重金属層２から参照層３３に向かって流している状態を示している。このとき、書き込み電流Ｉｗによって重金属層２にスピンホール効果が生じ、記録層３１の磁化方向と反平行のスピンＳＡが記録層３１に流入する。スピンＳＡは記録層３１の磁化方向を反転させるように働く。

【0147】

また、書き込み補助電流Ｉｗａが重金属層２から参照層３３に流れるので、参照層３３から記録層３１に電子が流れ、参照層３３から記録層３１に、記録層３１の磁化方向と反平行のスピンが流入する。書き込み補助電流Ｉｗａによって記録層３１に流入したスピンは、記録層３１の磁化方向と反平行なので、記録層３１の磁化方向を反転させるようにトルクが働く。このように、接合部３ａが反平行状態の場合において、重金属層２から参照層３３に書き込み補助電流Ｉｗａを流すようにすると、書き込み補助電流Ｉｗａは、記録層３１の磁化反転をアシストするように働く。

【0148】

一方で、図１５Ｂは、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを－ｙ方向（紙面奥側から紙面手前側に向かう方向）に流し、書き込み補助電流Ｉｗａを接合部３ａに、参照層３３から重金属層２に向かって流している状態を示している。この場合、書き込み電流Ｉｗによって重金属層２にスピンホール効果が生じ、記録層３１の磁化方向と反平行のスピンＳＡが記録層３１に流入する。スピンＳＡは記録層３１の磁化方向を反転させるように働く。書き込み補助電流Ｉｗａが参照層３３から重金属層２に流れるので、記録層３１から参照層３３に電子が流れる。このとき、記録層３１中の参照層３３の磁化方向と平行のスピンは参照層３３に流入するが、記録層３１中の参照層３３の磁化方向と反平行のスピンは、障壁層３２と参照層３３の界面で散乱され、再び記録層３１に流入する。

【0149】

書き込み補助電流Ｉｗａによって記録層３１に流入したスピンは、記録層３１の磁化方向と平行のスピンであるので、このスピンによって記録層３１の磁化にトルクは生じず、記録層３１の磁化反転をアシストしない。さらに、書き込み補助電流Ｉｗａによって記録層３１に流入したスピンは、書き込み電流Ｉｗによって流入したスピンによって磁化が回転しようとするのを抑制し、磁化反転しないことをアシストするように働く。その結果、記録層３１の磁化は反転しない。このように、接合部３ａの磁化方向が反平行のときは、重金属層２から参照層３３に書き込み補助電流Ｉｗａが流れると、記録層３１の磁化反転がアシストされて記録層３１の磁化方向が反転し、参照層３３から重金属層２に書き込み補助電流Ｉｗａが流れると、磁化反転がアシストされず（磁化反転しないことがアシストされて）記録層３１の磁化方向が反転しない。なお、記録層３１の磁化方向と参照層３３の磁化方向が平行の場合は、参照層３３から重金属層２に書き込み補助電流Ｉｗａが流れると記録層３１の磁化反転がアシストされ、重金属層２から参照層３３に書き込み補助電流Ｉｗａが流れると記録層３１の磁化反転がアシストされない。

【0150】

磁気メモリ装置４１００は、２つの接合部（例えば、接合部３ａ、３ｂ）を選択し、一の接合部３ｂの参照層３３から重金属層２を介して他の接合部３ａの参照層３３向けて書き込み補助電流Ｉｗａを流し、２つの接合部３ａ、３ｂをセットとして書き込みを行う。そのため、一の接合部３ｂは参照層３３から重金属層２に書き込み補助電流Ｉｗａが流れ、他の接合部３ａは重金属層２から参照層３３に書き込み補助電流Ｉｗａが流れ、セットとした接合部３ａ、３ｂ同士で書き込み補助電流Ｉｗａの流れる方向が異なる（図１３Ｂ参照）。

【0151】

また、ビットセレクター３６は、差動アンプ３７にデータを読み出す接合部を電気的に接続する。例えば、ビットセレクター３６が、第１トランジスタＴｒ１ａをオン状態とし、他の第１トランジスタＴｒ１ｂ、Ｔｒ１ｃ、Ｔｒ１ｄ、Ｔｒ１ｅ、Ｔｒ１ｆ、Ｔｒ１ｇ、Ｔｒ１ｈをオフ状態としてアシスト線ＡＬ１に接合部３ａを電気的に接続する。そして、ビットセレクター３６が、第２トランジスタＴｒ２ｂをオン状態とし、他の第２トランジスタＴｒ２ａ、Ｔｒ２ｃ、Ｔｒ２ｄ、Ｔｒ２ｅ、Ｔｒ２ｆ、Ｔｒ２ｇ、Ｔｒ２ｈをオフ状態としてアシスト線ＡＬ２に接合部３ｂを電気的に接続する。続いて、ビットセレクター３６が、第３トランジスタＴｒ３ａ、Ｔｒ３ｂを共にオン状態にして、差動アンプ３７のプラス端子をアシスト線ＡＬ１に電気的に接続し、差動アンプ３７のマイナス端子をアシスト線ＡＬ２に電気的に接続する。その結果、読み出す接合部として、接合部３ａが差動アンプ３７のプラス端子に電気的に接続され、接合部３ｂが差動アンプ３７のマイナス端子に電気的に接続される。このようにして、複数の接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈから２つの接合部３ａ、３ｂが選択され、選択された２つの接合部３ａ、３ｂが差動アンプ３７に接続される。

【0152】

このとき、ビット線ＢＬをｈｉｇｈレベルに設定したとする。そうすると、重金属層２から接合部３ａを介して差動アンプ３７のプラス端子に電流が流れ、重金属層２から接合部３ｂを介して差動アンプ３７のマイナス端子に電流が流れる。その結果、差動アンプ３７は、プラス端子に入力された電流とマイナス端子に入力された電流の差に基づいた電圧、すなわち、磁気抵抗効果素子アレイから選択した接合部３ａと接合部３ｂとの抵抗差に応じた電圧を出力する。この出力電圧に基づいて、接合部３ａと接合部３ｂの抵抗差を検出し、接合部３ａ、接合部３ｂが平行状態にあるか反平行状態にあるかを判断でき、接合部３ａと接合部３ｂに記憶されたデータを読み出すことができる。このように、磁気メモリ装置４１００では、差動アンプ３７を用いて、２つのビットを同時に読み出すので、１ビットずつ読み出す場合と比較して、より早くデータを読み出すことができる。なお、ビットセレクター３６の構成は、一例であり、アシスト線ＡＬ１、アシスト線ＡＬ２及び差動アンプに接続する接合部を選択することができれば、特に限定されない。

【0153】

このような磁気メモリ装置４１００では、接合部の記録層と参照層との磁化方向が反平行状態と磁化方向が平行の平行状態で接合部の抵抗値が異なることを利用して、平行状態にデータ“０”を対応させ、反平行状態にデータ“１”を対応させて、接合部の抵抗値に応じてデータを記憶する。磁気メモリ装置４１００は、２つの接合部をセットとして書き込み及び読み込みを行う。なお、隣接する接合部をセットにするのが望ましい。このようにすることで、対にしたすべての接合部に書き込み補助電流Ｉｗａを流すことができ、磁気抵抗効果素子アレイ４００の各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに一括して書き込みができる。

【0154】

このような磁気メモリ装置４１００のデータの書き込み動作と読み出し動作とを具体的に説明する。このとき、隣接する接合部３ａ、接合部３ｂを接合部対３０ａとし、接合部３ｃ、接合部３ｄを接合部対３０ｂとし、接合部３ｅ、接合部３ｆを接合部対３０ｃとし、接合部３ｇ、接合部３ｈを接合部対３０ｄとして、各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈをセットで取り扱ってデータの書き込み及び読み出しを行うものとする。

【0155】

最初に、図１３Ａに示すように、コントロール線４２０をｈｉｇｈレベルに設定し、ビット線ＢＬをｌｏｗレベルに設定して、リセット電流Ｉｓを重金属層２に＋ｙ方向に流す。リセット電流Ｉｓは、リセット電流Ｉｓのみで各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの記録層３１を磁化反転できる程度の大きさに設定されている。そのため、接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの記録層３１の磁化内、－ｘ方向（図１３Ａの紙面奥側から紙面手前側に向かう方向）を向いていない磁化が反転され、記録層３１の磁化方向が－ｘ方向(所定方向)に揃えられ、すべての接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈが反平行状態となり、すべてのビットにデータ“１”を記録した状態となる。このようにして、重金属層２の一端部と他端部の間にリセット電流Ｉｓが流れると、各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの記録層３１の磁化方向が所定方向に揃い、すべてのビットが反平行状態となってデータ“１”を記録した状態となり、磁気抵抗効果素子アレイ４００が初期化される。このとき、リセット電流Ｉｓを－ｙ方向に流し、すべての接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈを平行状態、すなわち、データ“０”を記録した状態として、磁気抵抗効果素子アレイ４００を初期化してもよい。

【0156】

次に、ビットセレクター３６が、接合部３ｂ、３ｃ、３ｆ、３ｈをアシスト線ＡＬ１に電気的に接続し、接合部３ａ、３ｄ、３ｅ、３ｇをアシスト線ＡＬ２に電気的に接続する。すなわち、各接合部対３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの一の接合部をアシスト線ＡＬ１に電気的に接続し、他の接合部をアシスト線ＡＬ２に電気的に接続するようにする。

【0157】

続いて、図１３Ｂに示すように、ビット線ＢＬをｈｉｇｈレベルに設定し、コントロール線４２０をｌｏｗレベルに設定して、重金属層２の一端部と他端部の間で－ｙ方向に書き込み電流Ｉｗを流すと共に、アシスト線ＡＬ１をｈｉｇｈレベルに設定し、アシスト線ＡＬ２をｌｏｗレベルに設定して、書き込み補助電流Ｉｗａを各接合部に流す。書き込み電流Ｉｗは、書き込み電流Ｉｗのみでは記録層３１の磁化反転が起こらない程度の大きさに設定されている。このとき、接合部対３０ａでは、接合部３ｂがアシスト線ＡＬ１に電気的に接続され、接合部３ａがアシスト線ＡＬ２に電気的に接続されているので、書き込み補助電流Ｉｗａが接合部３ｂから接合部３ａに流れる。そのため、接合部３ｂでは、参照層３３から記録層３１に書き込み補助電流Ｉｗａが流れ、書き込み補助電流Ｉｗａによって生じるスピントルクが記録層３１の磁化方向を維持するように働くので、記録層３１の磁化反転がアシストされず、磁化反転が生じない。その結果、接合部３ｂでは、データ“１”を記憶した状態が維持される、すなわち、データ“１”が書き込まれる。一方で、接合部３ａでは、記録層３１から参照層３３に書き込み補助電流Ｉｗａが流れるので、記録層３１の磁化反転がアシストされる。その結果、接合部３ａは、記録層３１が磁化反転され、平行状態となり、データ“０”が書き込まれる。このように、各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの記録層３１の磁化方向が所定方向に揃っている状態で、重金属層２の一端部と他端部との間に書き込み電流Ｉｗが流れると共に、一の接合部３ｂの参照層３３から、重金属層２を介して、他の接合部３ａの参照層３３に書き込み補助電流Ｉｗａが流れると、書き込み補助電流Ｉｗａが流れる２つの接合部３ａ、３ｂのいずれか一方（ここでは接合部３ａ）の記録層３１が磁化反転する。

【0158】

同様に、接合部対３０ｂでは、書き込み補助電流Ｉｗａが接合部３ｃから接合部３ｄに流れ、接合部３ｄにデータ“０”が書き込まれ、接合部３ｃに、データ“１”が書き込まれる。接合部対３０ｃでは、書き込み補助電流Ｉｗａが接合部３ｆから接合部３ｅに流れ、接合部３ｅにデータ“０”が書き込まれ、接合部３ｆに、データ“１”が書き込まれる。接合部対３０ｄでは、書き込み補助電流Ｉｗａが接合部３ｈから接合部３ｇに流れ、接合部３ｇにデータ“０”が書き込まれ、接合部３ｈに、データ“１”が書き込まれる。このようにして、磁気抵抗効果素子アレイ４００の各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに一括してデータを書き込むことができる。このとき、重金属層２に書き込み電流Ｉｗ（パルス電流）を流し、一の接合部の参照層３３から、重金属層２を介して、他の接合部の参照層３３に書き込み補助電流（パルス電流）を流して、記録層３１を磁化反転させた後、重金属層２に流す書き込み電流Ｉｗよりも後に、書き込み補助電流Ｉｗａをオフするのが望ましい。なお、隣接した２つの接合部を接合部対とするのが効率的ではあるが、１つおきや２つおきなど離れた２つの接合部を接合部対とし、当該接合部間に書き込み補助電流を流すようにしてもよい。

【0159】

磁気メモリ装置４１００は、リセット電流Ｉｓを流して、磁気抵抗効果素子アレイ４００の各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈそれぞれの記録層３１の磁化方向を所定方向に揃えることで初期化した後、各接合部対３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄに、すなわち、一の接合部の参照層３３から重金属層２を介して他の接合部の参照層３３向けて書き込み補助電流Ｉｗａを流し、接合部対３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄの２つの接合部をセットとして書き込みを行う。そして、上述のように、セットとした接合部同士では書き込み補助電流Ｉｗａの流れる方向が異なる。そのため、磁気メモリ装置４１００はで、接合部対の一方の接合部は書き込み補助電流Ｉｗａによって磁化反転がアシストされ記録層３１が磁化反転し、他方の接合部は書き込み補助電流Ｉｗａによって磁化反転しないことがアシストされて記録層３１が磁化反転されない。よって、磁気メモリ装置４１００は、各接合部対３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄに、データ“０”とデータ“１”とを確実に書き込むことができる。

【0160】

続いて、図１３Ａと同じ構成には同じ符号を付した図１４を参照して、磁気メモリ装置４１００の読み出し動作について説明する。まず、ビットセレクター３６が、例えば、接合部３ａを差動アンプ３７のプラス端子に電気的に接続し、接合部３ｂを差動アンプ３７のマイナス端子に電気的に接続する。このとき、ビットセレクター３６は、接合部対を１つ選択し、選択した接合部対の一の接合部を差動アンプ３７のプラス端子に電気的に接続し、他の接合部を差動アンプのマイナス端子に電気的に接続する。

【0161】

次に、ビット線ＢＬをｈｉｇｈレベルに設定し、重金属層２から接合部３ａを介して差動アンプ３７のプラス端子に電流を入力すると共に、重金属層２から接合部３ｂを介して差動アンプ３７のマイナス端子に電流を入力する。差動アンプ３７は、プラス端子に入力された接合部３ａ（一の接合部）を流れる電流と、マイナス端子に入力された接合部３ｂ（他の接合部）を流れる電流の差に基づく電圧を出力する。この差動アンプ３７の出力電圧から、接合部３ａ、接合部３ｂが平行状態にあるか反平行状態にあるかを判断し、接合部３ａと接合部３ｂに記憶されたデータを読み出す。本実施形態では、接合部３ａからデータ“０”を読み出し、接合部３ｂからデータ“１”を読み出すことができる。その後、ビットセレクター３６が、順次、接合部を差動アンプ３７に電気的に接続してゆき、差動アンプ３７の出力電圧に基づいて、各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに記憶されたデータが読み出されていく。このように複数の接合部（ビット）に記憶したデータを同時に読み出すので、データを従来よりも早く読みだすことができる。

【0162】

このとき、２つの差動アンプ３７を用意して、４ビットずつデータを読み出すようにしてもよく、各接合部対３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄにそれぞれ専用の差動アンプ３７を用意し、磁気抵抗効果素子アレイ４００に記憶されたデータを一括して読み出すようにしてもよい。また、効率的にデータを読み出す点からは、一の接合部対に属する２つ接合部を、同じ差動アンプ３７に電気的に接続するのが望ましいが、一の接合部対に属する１つの接合部と、他の接合部対に属する１つの接合部とを同時に差動アンプ３７に電気的に接続して、記憶したデータを読み出すようにすることもできる。

【0163】

この磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法は、重金属層２上に複数の接合部３を備えた磁気抵抗効果素子アレイ４００を複数備える磁気メモリ装置４１００で説明してきたが、上述の他の接合部５１、５２、５３、５４、５５、５６、５７、５８、５９を、複数個、重金属層２上に備える磁気抵抗効果素子アレイを有する磁気メモリ装置にも適用することができ、同様の効果を奏する。また、形状磁気異方性などの他の磁気異方性により面内方向に磁化した記録層及び参照層を有する接合部を、複数個、重金属層２上に設けた磁気抵抗効果素子アレイや面内方向に対して垂直な方向に磁化した記録層及び参照層を有する接合部を、複数個、重金属層２上に設けた磁気抵抗効果素子アレイを備える磁気メモリ装置に適用しても同様の効果を奏する。また、磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法は、垂直方向に磁化した記録層及び参照層を有する接合部を備える磁気抵抗効果素子アレイを用いる場合、各接合部の記録層を、エピタキシャル層とし、垂直方向に磁化しているが、エピタキシャル層であることに起因する面内磁気異方性も有するようにし、記録層の面内磁気異方性の方向と重金属層２の長手方向（第１方向）が大略平行となるように接合部を配置して、記録層の面内磁気異方性の方向の向きに重金属層２に書き込む電流Ｉｗを流すことで、エピタキシャル層起因の面内磁気異方性によって、無磁場下で記録層を磁化反転できる。

【0164】

以上の構成において、磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法は、重金属層２にリセット電流Ｉｓを流し、各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈの記録層３１の磁化方向を所定方向に揃えるリセット工程と、重金属層２に書き込み電流Ｉｗを流すと共に、一の接合部の参照層３３から、重金属層２を介して、他の接合部３の参照層３３へ向けて書き込み補助電流Ｉｗａを流す書き込み工程と、一の接合部を流れる電流と、他の接合部を流れる電流の差に基づいて、一の接合部と他の接合部とに記憶されたデータを読み出す読み出し工程とを有するように構成した。

【0165】

よって、磁気メモリ装置の書き込み及び読み出し方法は、２つの接合部に記憶されたデータを同時に読み出すことができるので、従来よりも早くデータを読み出すことができる。

【0166】

また、記書き込み工程が、一の接合部から、当該接合部と隣接する他の接合部に書き込み補助電流Ｉｗａを流すようにすることで、重金属層２上に形成された各接合部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ、３ｇ、３ｈに一括してデータを書き込むことができる。

【0167】

（５）他の実施形態
上記の実施形態では、記録層３１（記録層が多層膜の場合は各強磁性層）の磁化容易方向が、磁気抵抗効果素子１を上部から見たとき、重金属層２の長手方向（書き込み電流Ｉｗを流す方向）と概ね直交するよう接合部３を重金属層２上に設けた場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１７Ａに示す磁気抵抗効果素子６００のように、記録層３１の磁化容易方向（図１７Ａ中の矢印Ａ６００）が、概ね重金属層２の長手方向となるように、接合部３ｊを重金属層２上に設けてもよい。この場合、磁気抵抗効果素子１の下部に磁場発生装置を設けるなどして、重金属層２に対して垂直方向（＋ｚ方向）に磁場を印加するようにする。磁気抵抗効果素子６００では、接合部３ｊを円柱形状とし、重金属層２の幅を接合部３ｊの幅と同じにしている。なお、接合部３ｊの形状以外の構成は接合部３と同様である。このように、重金属層２のサイズや接合部３ｊの幅方向の断面形状は特に限定されない。

【0168】

また、図１７Ｂに示す磁気抵抗効果素子７００ように、記録層３１の磁化容易方向（図１７Ｂ中の矢印Ａ７００）が、重金属層２の長手方向に対して所定角度θだけ傾くように、接合部３を重金属層２上に設けてもよい。この場合、θは、±３度～±１７７度、より好ましくは、±１５度～±１６５度、よりより好ましくは±３０～±１５０度である。このように設定することで、無磁場、低電流で、接合部３ｊの記録層の磁化反転が可能となる。また、θを±３～±２５度又は±１５５度～±１７７度に設定することで、消費電力が増加するが、接合部３ｊの記録層の磁化反転がより速くなり、書き込み速度を高速化することができる。この場合も、書き込み電流Ｉｗは、第１方向（重金属層２の長手方向）と同じ向きに、重金属層２の一端部と他端部の間で流される。よって、書き込み電流Ｉｗは、記録層の磁化方向に対して所定角度（±３度～±１７７度）傾いた方向に流れる。

【符号の説明】

【0169】

１、４１、４２、４３、４４、４５、４６、４７、４８、４９ 磁気抵抗効果素子
２ 重金属層
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ、３１ｅ、３１ｆ、３１ｇ、３１ｈ、３１ｉ 記録層
３２ 障壁層
３３ 参照層
３４ 反強磁性層
３００、４１０、４１００ 磁気メモリ装置
４００ 磁気抵抗効果素子アレイ
Ｉｗ 書き込み電流
Ｉｗａ 書き込み補助電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7AB】

【図7C】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】