磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置
【課題】高密度化が可能な磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、積層体を備えた磁気記憶素子が提供される。積層体は第１積層部と第２積層部とを含む。第１積層部は、膜面に対して垂直成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、磁化の方向が膜面垂直な方向に可変である第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層との間の第１非磁性層と、を含む。第２積層部は、積層方向に沿って第１積層部と積層される。第２積層部は、磁化の方向が膜面平行な方向に可変である第３強磁性層と、膜面に対して垂直成分を有する第２の方向に磁化が固定された第４強磁性層と、第３強磁性層と第４強磁性層との間の２非磁性層と、を含む。積層方向を法線とする平面で切断したとき、第３強磁性層の断面積は前記第１積層部よりも小さい。
【解決手段】実施形態によれば、積層体を備えた磁気記憶素子が提供される。積層体は第１積層部と第２積層部とを含む。第１積層部は、膜面に対して垂直成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、磁化の方向が膜面垂直な方向に可変である第２強磁性層と、第１強磁性層と第２強磁性層との間の第１非磁性層と、を含む。第２積層部は、積層方向に沿って第１積層部と積層される。第２積層部は、磁化の方向が膜面平行な方向に可変である第３強磁性層と、膜面に対して垂直成分を有する第２の方向に磁化が固定された第４強磁性層と、第３強磁性層と第４強磁性層との間の２非磁性層と、を含む。積層方向を法線とする平面で切断したとき、第３強磁性層の断面積は前記第１積層部よりも小さい。
【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・大容量の不揮発メモリとして注目を集めている。ＭＴＪ素子の記憶層への書き込みは、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。この方式においては、例えば、ＭＴＪ素子に直接通電させ、ＭＴＪ素子の基準層から注入されるスピントルクで記憶層の磁化を反転させる。このような磁気記憶素子において、さらなる微細化を可能にし、高密度な不揮発性記憶装置を実現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２００９−２１３５２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、高密度化が可能な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、積層体を備えた磁気記憶素子が提供される。前記積層体は、第１積層部と、第２積層部と、を含む。前記第１積層部は、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第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。前記第２積層部は、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層される積層方向に沿って前記第１積層部と積層される。前記第２積層部は、磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３強磁性層と、前記第３強磁性層と前記積層方向に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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、を含む。前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第３強磁性層の断面積は、前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第１積層部の断面積よりも小さい。前記積層方向に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ、前記第３強磁性層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前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｅ）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７】図７（ａ）及び図７（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８】図８（ａ）〜図８（ｈ）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９】図９（ａ）〜図９（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示する模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）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１１】図１１（ａ）〜図１１（ｈ）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１２】図１２（ａ）〜図１２（ｄ）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１３】磁気記憶素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図１４】磁気記憶素子における磁化の反転の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図１５】磁気記憶素子における磁化の反転の特性を示すグラフ図である。
【図１６】磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１７】磁気記憶素子における発振特性を示すグラフ図である。
【図１８】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１９】図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。
【図２０】図２０（ａ）〜図２０（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を示す工程順模式的断面図である。
【図２１】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
【図２２】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の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の実施の形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、模式的斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｃ）は、模式的平面図である。
【０００９】
図１（ａ）〜図１（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ０を備える。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。
【００１０】
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。
【００１１】
第１強磁性層１０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化（第１強磁性層１０の磁化）が固定されている。第２強磁性層２０においては、磁化（第２強磁性層２０の磁化）の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である。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。「膜面」は、層の主面に対して平行な面であり、「層面」に対応する。
【００１２】
すなわち、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、積層される。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎが重ねられる方向を積層方向ＳＤ１とする。積層方向ＳＤ１は、例えば、第１強磁性層１０の膜面に対して垂直な方向である。
【００１３】
説明の便宜上、積層方向ＳＤ１に対して平行な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。
【００１４】
本願明細書において、「積層」は、複数の層が互いに接して重ねられる場合に加え、間に別の要素が挿入されて複数の層が重ねられる場合を含む。
【００１５】
第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に沿って第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と、第４強磁性層４０と、第２非磁性層２０ｎと、を含む。第３強磁性層３０においては、磁化（第３強磁性層３０の磁化）の方向が膜面に対して平行な方向に可変である。第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０と積層方向ＳＤ１に沿って積層される。第４強磁性層４０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化（第４強磁性層４０の磁化）が固定されている。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。
【００１６】
すなわち、第３強磁性層３０、第４強磁性層４０及び第２非磁性層２０ｎは、積層方向ＳＤ１に沿って、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎと積層される。後述するように、各層の順序は、種々の変形が可能である。
【００１７】
図１（ｃ）に表したように、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。
【００１８】
例えば、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の外縁（第１外縁ＳＢＰ１）は、その平面における第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有する。この例では、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）は、互いに同じである。従って、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第３強磁性層３０の外縁３０ｐの位置は、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第２積層部ＳＢ２の外縁（第２外縁ＳＢＰ２）の位置と同じである。
【００１９】
この例では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）は、互いに同じである。従って、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１強磁性層１０の外縁の位置、第１非磁性層２０ｎの外縁の位置及び第２強磁性層２０の外縁の位置は、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１の位置と同じである。
【００２０】
後述するように、第２積層部ＳＢ２において、例えば、第３強磁性層３０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）が、第４強磁性層４０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）と異なっていても良い。この場合も、実施形態においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有する。
【００２１】
以下では、説明を簡単にするために、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０の幅が互いに同じであり、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の幅が互いに同じである場合について説明する。そして、第３強磁性層３０の外縁３０ｐとして、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２について説明する。
【００２２】
この例では、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第２積層部ＳＢ２の断面積は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、積層方向ＳＤ１に沿ってみたときに、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２よりも外側の部分を有する。すなわち、平面視において、第２外縁ＳＢＰ２は、第１外縁ＳＢＰ１よりも外側の部分を有する。
【００２３】
この例では、第１外縁ＳＢＰ１（積層方向ＳＤ１に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１の外縁）は、第２外縁ＳＢＰ２（積層方向ＳＤ１に沿ってみたときの第２積層部ＳＢ２の外縁）よりも外側に位置する。具体的には、第１外縁ＳＢＰ１の全てが、第２外縁ＳＢＰ２よりも外側に位置する。
【００２４】
例えば、Ｘ軸に沿った第３強磁性層３０の幅Ｄ３０は、Ｘ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅（例えば第１径Ｄ１）よりも小さい。Ｙ軸に沿った第３強磁性層３０の幅は、Ｙ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅よりも小さい。
例えば、第３強磁性層３０のサイズが第４強磁性層４０及び第２非磁性層２０ｎのサイズと同じときは、Ｘ軸に沿った第２積層部ＳＢ２の幅（例えば第２径Ｄ２）は、Ｘ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅（第１径Ｄ１）よりも小さい。同様に、Ｙ軸に沿った第２積層部ＳＢ２の幅は、Ｙ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅よりも小さい。
【００２５】
例えば、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２と、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１と、の距離は、距離Ｄｄである。距離Ｄｄは、例えばＸ−Ｙ平面内の任意の軸に沿った距離である。例えば、距離Ｄｄの２倍と、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０と、の合計が、第２径Ｄ２となる。
【００２６】
例えば、第３強磁性層３０をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積（例えば第２積層部ＳＢ２をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積）は、第１積層部ＳＢ１をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積よりも小さい。
【００２７】
磁気記憶素子１１０においては、積層方向ＳＤ１に沿って積層体ＳＢ０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、且つ、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に作用させることにより、第２強磁性層２０の磁化の方向を電流の向きに応じた方向に決定可能とする。上記の電流は、積層体ＳＢ０の各層の膜面に対して略垂直な方向に流れる。
【００２８】
磁気記憶素子１１０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生部として機能する。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、適宜、磁界発生部と言い、第１積層部ＳＢ１を、適宜、磁気記憶部と言う。
【００２９】
第１強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層である。第２強磁性層２０においては、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。第２強磁性層２０は、磁気記憶層として機能する。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強磁性層１０と、第１非磁性層１０ｎと、第２強磁性層２０と、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は、磁化回転層として機能する。第４強磁性層４０は、磁化が膜面に対して略垂直方向に固定された第２の磁化固定層として機能する。第２非磁性層２０ｎは、第２のスペーサ層として機能する。
【００３１】
このような構成を有する磁気記憶素子１１０においては、微細化したときも所定の動作が実現できる。これにより、不揮発性記憶装置の高密度化が可能になる。
【００３２】
例えば、磁気記憶部（第１積層部ＳＢ１）においては、所定の動作を確実に得るために、Ｋｕ・Ｖを一定の値にする設計が採用される。ここで、Ｋｕは、第２強磁性層２０（メモリ膜）の磁気異方性定数（magnetic anisotropy energy）であり、Ｖは、第２強磁性層２０の体積である。不揮発性記憶装置を高密度化し、磁気記憶素子を微細化する（Ｖを小さくする）と、大きいＫｕを用いることになる。
【００３３】
発明者は、第２強磁性層２０における共鳴周波数ｆｒが、以下の第１式で表されることを導き出した。
【００３４】
【数１】
ここで、γはジャイロ定数（約１７．６×１０６Ｈｚ／Ｏｅ:ヘルツ／エルステッド）、Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３：エルグ／立方センチメートル）は第２強磁性層２０の磁気異方性、Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ：イーエムユー／シーシー、ｅｍｕ／ｃｃ＝ｅｍｕ／ｃｍ３）は第２強磁性層２０の磁化、Ｎｚは第２強磁性層２０の反磁界係数である。Ｎｚは、無次元の定数である。
【００３５】
第１式から、Ｋｕが大きいと、共鳴周波数ｆｒが大きくなることが分かる。実施形態において、磁界発生部（第２積層部ＳＢ２）で発生させる高周波磁界の発振周波数ｆｓは、磁気記憶部における共鳴周波数ｆｒに実質的に一致させる。従って、微細化のためには、磁界発生部で発生させる高周波磁界の発振周波数ｆｓを高めることが必要であることが分かった。
【００３６】
実施形態に係る磁気記憶素子は、このような新たに見出された課題を解決することができる。
【００３７】
すなわち、磁界発生部で発生させる高周波磁界の発振周波数ｆｓは、以下の第２式で表される。
【００３８】
【数２】
ここで、γはジャイロ定数である。αはダンピング定数であり、無次元の定数である。ｈはプランク定数であり、約６．６２６×１０−２７ｅｒｇ・ｓ：エルグ・秒）である。なお、６．６２６×１０−２７ｅｒｇ・ｓ（エルグ・秒）は、６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ（ジュール・秒）に相当する。ｅは、電気素量を表し、約１．６０２１８×１０−１９（Ａ・ｓ：アンペア・秒）である。Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ：イーエムユー／シーシー）は、第３強磁性層３０の磁化である。ｔ（ｃｍ：センチメートル）は、第３強磁性層３０の厚さである。Ｊ（Ａ／ｃｍ２：アンペア／平方センチメートル）は、第３強磁性層３０における電流密度を表す。g(θ)は、スピン偏極率に依存するスピントランスファーの効率を表すパラメータである。ここで、θ（ｒａｄ：ラジアン）は、第４強磁性層４０を経由することでスピン偏極した電子のスピンの向きと、第３強磁性層３０の磁化と、がなす角である。なお、単位系として、「°：度」から「ｒａｄ：ラジアン」への変換は「ｒａｄ＝（２π／３６０）×度」である。
【００３９】
第２式から、例えば、用いる材料のＭｓを小さくすることで、発振周波数ｆｓが上昇できることが分かる。しかしながら、この手法は、用いる材料を制限することになり、全体としての特性を高めることの妨げになる。
【００４０】
本実施形態においては、電流密度Ｊを上昇させる手法を採用する。これにより、材料の制限は解除される。電流密度Ｊを上昇させるために、第３強磁性層３０のサイズ（幅Ｄ３０：Ｚ軸方向に対して垂直な軸に沿った長さ）を小さくする。
【００４１】
換言すれば、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の外縁（第１外縁ＳＢＰ１）が、その平面における第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有する構成により、第３強磁性層３０のサイズが小さくなる。すなわち、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０が、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さくなる。これにより、第３強磁性層３０における電流密度Ｊが上昇し、発振周波数ｆｓが上昇できる。これにより、微細化したときに、所定の動作が実現でき、不揮発性記憶装置の高密度化が可能になる。
磁気記憶素子１１０の特性の例に関しては、後述する。
【００４２】
図１（ｃ）に例示したように、この例では、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、円形（扁平円を含む）である。ただし、実施形態において、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、任意である。
【００４３】
磁気記憶素子１１０においては、積層体ＳＢ０は、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。すなわち、第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に設けられる。第３非磁性層３０ｎは、必要に応じて設けられ、場合によっては省略可能である。
【００４４】
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強磁性層には、例えば、面内磁化膜が用いられる。
【００４５】
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。
【００４６】
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つの軸を面内軸ＳＤ２とする。面内軸ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の軸である。磁化７２は、膜面に対して垂直な方向の磁化斜影成分（積層方向ＳＤ１に対して平行な磁化成分７２ａ）と、膜面に対して平行な方向の磁化斜影成分（面内軸ＳＤ２に対して平行な磁化成分７２ｂ）と、を有する。
【００４７】
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜は、膜面に対して垂直な磁化成分７２ａが、膜面に対して平行な磁化成分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。
【００４８】
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜は、膜面に対して平行な磁化成分７２ｂが、膜面に対して垂直な磁化成分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。
【００４９】
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。
【００５０】
既に説明したように、第１強磁性層１０の磁化は、第１の方向に実質的に固定される。第４強磁性層４０の磁化は、第２の方向に実質的に固定されている。
【００５１】
図１（ｂ）に例示したように、磁気記憶素子１１０においては、第１の方向は上向きであり、第２の方向も上向きである。ただし、後述するように、第１の方向及び第２の方向は種々の変形が可能である。
【００５２】
磁気記憶素子１１０において、例えば、積層体ＳＢ０を挟む一対の電極（図示しない）により、積層体ＳＢ０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。
【００５３】
第２強磁性層２０は、データを記憶する役割をもつ。第２強磁性層２０の磁化は、比較的容易に反転可能である。第３強磁性層３０は、書き込み時に高周波磁界を発生させる役割をもつ。
【００５４】
膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生部の第３強磁性層３０における磁化が歳差運動する。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程度である。高周波磁界は、第２強磁性層２０の磁化に対して垂直方向の成分（第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向の成分）を有する。したがって、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２強磁性層２０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２強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２強磁性層の磁化は非常に反転し易くなる。
【００５５】
磁気記憶素子１１０においては、電子電流を積層体ＳＢ０に流すことによって、第２強磁性層２０の磁化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２強磁性層２０の磁化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２強磁性層２０の磁化の方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。
【００５６】
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」動作について説明する。
【００５７】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子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の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００５８】
図３（ａ）は、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｂ）は、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）は、第２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｄ）は、第２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した場合に対して、電子電流６０の向きを反転させた場合に相当する。
【００５９】
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を流して、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。
【００６０】
「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は、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の磁化が第２強磁性層２０の磁化に対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【００６１】
図３（ａ）に表したように、膜面に対して略垂直方向の磁化１２ａを有する第１強磁性層１０を通過した電子は、第１強磁性層１０の磁化と同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第２強磁性層２０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化３２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。
【００６２】
これにより、図３（ｂ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化３２は、第１強磁性層１０の磁化１２ａと同じ向きになる。この向きは、図３（ｂ）において上向きであり、例えば積層方向ＳＤ１に対して平行な１つの方向である。この向き（図３（ｂ）において上向き）の磁化３２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。
【００６３】
図３（ｃ）に表したように、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１２ａと同じ向き（図３（ｃ）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１２ａに対して逆向き（図３（ｃ）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が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化３２に作用する。
【００６４】
これにより、図３（ｄ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化３２は、第１強磁性層１０の磁化１２ａに対して逆向き（図３（ｄ）において下向き）になる。すなわち、スピントランスファトルクが働く。この向き（図３（ｄ）おいて下向き）の磁化３２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。
【００６５】
このような作用に基づいて、第２強磁性層２０の異なる状態に、「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。
【００６６】
一方、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の磁化が第２強磁性層２０の磁化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。
【００６７】
次に、「読み出し」動作について説明する。
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、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。
【００６８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶素子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及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００６９】
図４（ａ）は、第１強磁性層１０の磁化の方向が、第２強磁性層２０の磁化の方向と同じ場合を例示している。図４（ｂ）は、第１強磁性層１０の磁化の方向が、第２強磁性層２０の磁化の方と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【００７０】
図４（ａ）及び図４（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４（ａ）の状態の抵抗は、図４（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４（ａ）の状態の抵抗は、図４（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【００７１】
これらの抵抗が互いに異なる状態に、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４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【００７２】
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元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【００７３】
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により特性を調整することができる。また、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、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、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０に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、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）のような添加物が含まれていても良い。
【００７４】
第１非磁性層１０ｎには、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。
【００７５】
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、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、そ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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
非磁性トンネルバリア層には、例えば、絶縁材料が用いられる。具体的には、非磁性トンネルバリア層には、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しては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、及び、Ｓｉ−Ｎ−Ｏなどを用いることができる。
【００７９】
非磁性トンネルバリア層として、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、そ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。
【００８０】
第２非磁性層２０ｎとして、非磁性トンネルバリア層が用いられる場合、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。
【００８１】
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が抑制される。
【００８２】
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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【００８３】
第３強磁性層３において、含まれる磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、第３強磁性層３０には、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）のような添加物が含まれていても良い。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ることができる。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。
【００８４】
第４強磁性層４０には、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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【００８５】
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により特性を調整することができる。第４強磁性層４０には、ＴｂＦｅＣｏ、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４強磁性層４０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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に用いることができる。第４強磁性層４０には、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）のような添加物が含まれていても良い。
【００８６】
第３非磁性層３０ｎには、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、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）、チタン（Ｔｉ）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。
【００８７】
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。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３非磁性層３０ｎに用いることが望ましい。
【００８８】
既に説明したように、磁気記憶素子１１０において、積層体ＳＢ０に電子電流を流すための一対の電極（導電層）が設けられる。
電極には、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。導電性の磁性材料の例としては、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同様の材料を挙げることができる。
【００８９】
導電性の非磁性材料の具体例としては、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）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、チタン（Ｔｉ）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つ以上を含む合金を用いることができる。
【００９０】
さらに、電極に用いられる導電性の非磁性材料として、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等の材料が挙げられる。
【００９１】
電極に付与される導電性の保護膜には、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）、チタン（Ｔｉ）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。
【００９２】
既に説明したように、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。例えば、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して平行な面で切断した形状）は、円形、楕円形、扁平円、並びに、四角形及六角形などの３つ以上の角を有する多角形の形状を有することができる。
【００９３】
Ｚ軸に対して平行な平面で切断したときの第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で切断したときの第１積層部ＳＢ１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。
【００９４】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の構成の種々の例について説明する。以下において、説明されない構成、及び、各要素の材料などは、磁気記憶素子１１０に関して説明した構造及び各要素の材料と同様である。
【００９５】
図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）は、既に説明した磁気記憶素子１１０に対応する。図５（ａ）〜図５（ｅ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１１０〜１１４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、この順に積層される。この積層順を、便宜的に第１積層構成と呼ぶことにする。
【００９６】
第１積層構成においては、第１強磁性層１０は、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置され、第４強磁性層４０は、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置される。
【００９７】
これらの磁気記憶素子においては、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きと同じ向きである。この例では、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは上向きであり、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、上向きである。ただし、これらの向きが下向きでも良い。
【００９８】
図５（ａ）に表したように、磁気記憶素子１１０においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置及び第２非磁性層２０ｎの外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【００９９】
図５（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１１においては、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ及び第２非磁性層２０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【０１００】
図５（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１１２においては、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第４強磁性層４０の外縁よりも外側の部分を有している。磁気記憶素子１１０、１１１及び１１２においては、第３非磁性層３０ｎの外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致している。
【０１０１】
図５（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１３においては、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁、第４強磁性層４０の外縁及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。
【０１０２】
図５（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１１４においては、Ｚ軸に対して垂直な平面内において、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０のそれぞれの周囲に、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。例えば、第３強磁性層３０及び第３強磁性層周囲部３０ｊは、第３強磁性層用膜から形成され、第３強磁性層周囲部３０ｊは、第３強磁性層用膜を磁気的に不活性にすることで得られる。また、第３強磁性層周囲部３０ｊは、第３強磁性層用膜を電気的に実質的に絶縁性にすることで得られる。第３強磁性層周囲部３０ｊにおけるＢｓ（飽和磁束密度）は、第３強磁性層３０におけるＢｓの１０％以下である。第３強磁性層周囲部３０ｊにおける導電率は、第３強磁性層３０における導電率の１０％以下である。
【０１０３】
磁気記憶素子１１４においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０が第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい構成が実現されている。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、実質的に、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第４強磁性層４０の外縁よりも外側の部分を有する。
また、磁気記憶素子１１０、１１１及び１１３において、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１０４】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）〜図６（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａにおける各層の積層順は、磁気記憶素子１１０〜１１４とそれぞれ同じである。磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａにおいては、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１０５】
磁気記憶素子１１０ａ〜１１４の構成において、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと、一致する。第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より効果的に作用する。第２強磁性層２０の磁化反転を、より効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１０６】
磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａにおける各層の幅の相対的な関係は、磁気記憶素子１１０〜１１４におけるそれと同様なので説明を省略する。また、磁気記憶素子１１４ａに例示したように、この場合も、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１０７】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように磁気記憶素子１１０ｒ及び１１０ｓにおいては、第１強磁性層１０の磁化の向き及び第４強磁性層４０の磁化の向きが膜面に対して斜めである。
【０１０８】
この場合も、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層４０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１０９】
第１の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きが、第２の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである場合には、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低減させることができる。すなわち、第２強磁性層２０の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を打ち消すことができる。一方、第３強磁性層３０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残留させ、作用させることができる。
【０１１０】
これにより、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと一致する。第３強磁性層３０において発生した回転磁界により、第２強磁性層２０の磁化反転を効率的にアシストすることができる。その結果、第２強磁性層２０への情報の記憶（書き込み）に必要な電流を低減させることができる。
【０１１１】
第１強磁性層１０の磁化の向き及び第４強磁性層４０の磁化の向きが膜面に対して斜めである構成は、磁気記憶素子１１０〜１１４、１１０ａ〜１１４ａ及びそれらの変形、並びに、後述する、本実施形態に係る磁気記憶素子のいずれにも適用できる。
【０１１２】
磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａ、１１０ｒ及び１１０ｓ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-Ferromagnet）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。
【０１１３】
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。この構造では、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ほぼゼロにすることができる。
【０１１４】
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）やオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、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。
【０１１５】
すなわち、第３非磁性層３０ｎ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つ以上を含む合金を含み、第３非磁性層３０ｎの厚さは、３ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１１６】
上記では、第１積層部ＳＢ１の側面、及び、第２積層部ＳＢ２の側面は、Ｚ軸に対して平行である例を示したが、実施形態はこれに限らない。
図８（ａ）〜図８（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８（ａ）〜図８（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１０ｂ〜１１３ｂにおいては、第２積層部ＳＢ２に含まれる層の側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。この例では、第１積層部ＳＢ１の側面は、Ｚ軸に対して実質的に垂直である。
【０１１７】
磁気記憶素子１１０ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。磁気記憶素子１１１ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面及び第２非磁性層２０ｎの側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。磁気記憶素子１１２ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面、第２非磁性層２０ｎの側面及び第４強磁性層４０の側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。磁気記憶素子１１３ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面、第２非磁性層２０ｎの側面、第４強磁性層４０の側面及び第３非磁性層３０ｎの側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。
【０１１８】
これらの例では、第２積層部ＳＢ２のうちの、第１積層部ＳＢ１に近い第１部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）が、第２積層部ＳＢ２のうちの、第１部分よりも第１積層部ＳＢ１から遠い第２部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）よりも大きくなるように、上記の側面が傾斜している。ただし、実施形態は、これに限らず、第１部分の幅が第２部分の幅よりも小さくなるように、上記の側面が傾斜しても良い。
【０１１９】
図８（ｅ）〜図８（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１１０ｃ〜１１３ｃにおいては、第１積層部ＳＢ１の側面は、Ｚ軸に対して傾斜している。これを除き、磁気記憶素子１１０ｃ〜１１３ｃのそれぞれの構成は、磁気記憶素子１１０ｂ〜１１３ｂのそれぞれの構成と同様である。
【０１２０】
これらの例では、第１積層部ＳＢ１のうちの、第２積層部ＳＢ２に近い第３部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）が、第１積層部ＳＢ１のうちの、第３部分よりも第２積層部ＳＢ２から遠い第４部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）よりも小さくなるように、上記の側面が傾斜している。ただし、実施形態は、これに限らず、第３部分の幅が第４部分の幅よりも大きくなるように、上記の側面が傾斜しても良い。
【０１２１】
このように、第１積層部ＳＢ１の側面がＺ軸に対して傾斜している場合（テーパ形状の場合）は、第１積層部ＳＢ１の幅（例えば第１径Ｄ１）は、第１強磁性層１０の幅（径）と第２強磁性層２０の幅（径）との平均値とする。同様に、第２積層部ＳＢ２の側面がＺ軸に対して傾斜している場合は、第２積層部ＳＢ２の幅は、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０（径）と第４強磁性層４０の幅（径）との平均値とする。第３強磁性層３０の側面がＺ軸に対して傾斜している場合は、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０は、第３強磁性層３０の、Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さを、Ｚ軸に沿って平均した値とする。
【０１２２】
図９（ａ）〜図９（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９（ａ）〜図９（ｈ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１２０〜１２７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。この積層順を、便宜的に第２積層構成と呼ぶことにする。
【０１２３】
第２積層構成においては、第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置され、第３強磁性層３０は、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置される。
【０１２４】
図９（ａ）及び図９（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１２０及び１２７においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置及び第２非磁性層２０ｎの外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。磁気記憶素子１２７における第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き及び第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、磁気記憶素子１２０におけるそれらの向きに対してそれぞれ逆向きである。
【０１２５】
図９（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１２１においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。第２非磁性層２０ｎの外縁の位置及び第４強磁性層４０の外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【０１２６】
図９（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１２２においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ及び第２非磁性層２０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。
【０１２７】
図９（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１２３においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【０１２８】
図９（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１２４においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第４強磁性層４０の外縁よりも外側の部分を有している。
【０１２９】
図９（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１２５においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁、第４強磁性層４０の外縁及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。
【０１３０】
図９（ｇ）に表したように、磁気記憶素子１２６においては、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。
磁気記憶素子１２０〜１２５及び１２７において、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１３１】
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１３０〜１３５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、この順に積層される。この積層順を、便宜的に第３積層構成と呼ぶことにする。
【０１３２】
第３積層構成においては、第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置され、第４強磁性層４０は、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置される。
【０１３３】
図１０（ａ）〜図１０（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１３０〜１３４における各層の幅の関係は、磁気記憶素子１１０〜１１４（及び磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａ）における各層の幅の関係とそれぞれ同じである。図１０（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１４４においては、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。磁気記憶素子１１０〜１３３及び１３５においても、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１３４】
図１０（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１３５における第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き及び第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、磁気記憶素子１３０におけるそれらの向きに対してそれぞれ逆向きである。
【０１３５】
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１４０〜１４７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３０が、この順に積層される。この積層順を、便宜的に第４積層構成と呼ぶことにする。
【０１３６】
第４積層構成においては、第１強磁性層１０は、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置され、第３強磁性層３０は、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置される。
【０１３７】
図１１（ａ）〜図１１（ｇ）に表したように、磁気記憶素子１４０〜１４６における各層の幅の関係は、磁気記憶素子１２０〜１２６における各層の幅の関係とそれぞれ同じである。
【０１３８】
図１１（ｇ）に表したように、磁気記憶素子１４６においては、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。磁気記憶素子１４１〜１４５及び１４７においても、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１３９】
図１１（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１４７における第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き及び第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、磁気記憶素子１４０におけるそれらの向きに対してそれぞれ逆向きである。
【０１４０】
上記の磁気記憶素子１２０〜１２６（第２積層構成の例）、磁気記憶素子１３０〜１４３（第３積層構成の例）及び磁気記憶素子１４０〜１４６（第４積層構成の例）においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き対して逆向きである。すなわち、これらの例では、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは上向きであり、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、下向きである。
【０１４１】
また、磁気記憶素子１２７（第２積層構成の例）、磁気記憶素子１３５（第３積層構成の例）及び磁気記憶素子１４７（第４積層構成の例）においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは下向きであり、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、上向きである。第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが下向きで、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが上向きである構成において、磁気記憶素子１２１〜１２６、磁気記憶素子１３１〜１３４及び磁気記憶素子１４０〜１４６における各層の幅の相対的な関係を適用しても良い。
【０１４２】
第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き対して逆向きであるこれらの構成において、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと、一致することができる。第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より効果的に作用し、第２強磁性層２０の磁化反転をより効率的にアシストし、これにより、書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１４３】
また、第２積層構成、第３積層構成及び第４積層構成において、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きと同じでも良い。例えば、これらの向きが上向き、または、下向きでも良い。
【０１４４】
また、上記の第２積層構成、第３積層構成及び第４積層構成において、第１強磁性層１０の磁化及び第４強磁性層４０の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
【０１４５】
第２積層構成（例えば、磁気記憶素子１２０〜１２７及びそれらの変形）における第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、第１積層構成（例えば、磁気記憶素子１１０〜１１４、及び、１１０ａ〜１１４ａ及びそれらの変形）におけるその距離よりも短い。これにより、第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より大きく作用し、第２強磁性層２０の磁化反転をより効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１４６】
第２積層構成において、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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
すなわち、第３強磁性層３０の磁化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の磁化を独立に制御することが可能となる。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
第４積層構成（例えば、磁気記憶素子１４０〜１４７及びそれらの変形）においても、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、第１積層構成におけるその距離よりも短い。距離が短い分、磁界が大きくなるためアシスト効果が高まり、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１５６】
第４積層構成においては、第３強磁性層３０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、第４強磁性層４０でのスピン偏極の向き、及び、第１強磁性層１０でのスピン偏極の向きと同じである。これにより、例えば、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の発生効率が向上する。
【０１５７】
第３非磁性層３０ｎ及び第２非磁性層２０ｎには、金属導体、絶縁体及び半導体のいずれを用いても良い。第３非磁性層３０ｎと第２非磁性層２０ｎとにおいて、異なる材料に基づく層を用いても良い。
【０１５８】
第３非磁性層３０ｎとして絶縁体または半導体を用いた場合には、抵抗値が上昇する。このため、この場合には、第２非磁性層２０ｎとして金属導体を用いることが好ましい。金属導体として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）などを用いることが好ましい。
【０１５９】
第３積層構成（磁気記憶素子１３０〜１３５及びそれらの変形）においては、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、第１積層構成におけるその距離よりも短い。距離が短い分、磁界が大きくなるためアシスト効果が高まり、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１６０】
第３積層構成においては、第２強磁性層２０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、第４強磁性層４０でのスピン偏極の向き、及び、第１強磁性層１０でのスピン偏極の向きと同じである。これにより、第２強磁性層２０の磁化反転の効率が高められる。
【０１６１】
第３積層構成において、第３非磁性層３０ｎ及び第２非磁性層２０ｎとして、第４積層構成に関して説明した材料と同様の材料を用いることができる。
【０１６２】
上記の第２〜第４積層構成において、図８（ａ）〜図８（ｈ）に関して説明したように、各層の側面は、Ｚ軸に対して傾斜していても良い。
【０１６３】
本実施形態に係る磁気記憶素子において、磁気シールドをさらに設けることができる。 以下、磁気シールドの構成の例について説明する。
【０１６４】
図１２（ｃ）〜図１２（ｄ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１２２ｋ及び１２２ｌにおいては、第２積層部ＳＢ２の側面に対向する磁気シールド５１が設けられる。磁気記憶素子１２２ｌにおいては、磁気シールド５１は、さらに、第１積層部ＳＢ１の側面、及び、第３非磁性層３０ｎの側面に対向している。
【０１６５】
すなわち、磁気記憶素子１２２ｋ及び１２２ｌは、積層体ＳＢ０の側面の少なくとも一部に対向する磁気シールド５１をさらに備える。磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部を覆う。
【０１６６】
さらに、磁気記憶素子１２２ｋ及び１２２ｌは、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部と、磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに備える。
【０１６７】
磁気記憶素子１２２ｋにおいては、磁気シールド５１は、第２積層部ＳＢ２の側面を覆う。磁気記憶素子１２２ｌにおいては、磁気シールド５１は、第２積層部ＳＢ２の側面、第１積層部ＳＢ１の側面、及び、第３非磁性層３０ｎの側面を覆う。
【０１６８】
図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１２４ｋ及び１２４ｌにおいても、第２積層部ＳＢ２の側面に対向する磁気シールド５１が設けられる。磁気シールド５１は、さらに、第１積層部ＳＢ１の側面に対向している。さらに、磁気記憶素子１２４ｋ及び１２４ｌは、積層体ＳＢ０の側面の少なくとも一部と、磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに備える。さらに、磁気記憶素子１２４ｋ及び１２４ｌは、保護層５２と第３強磁性層３０との間（この例では、保護層５２と第２積層部ＳＢ２との間）に設けられた絶縁層５３（埋め込み絶縁層）をさらに備える。磁気記憶素子１２４ｌにおいては、絶縁層５３は、第１積層部ＳＢ１と保護層５２との間にも設けられている。絶縁層５３には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンなどの絶縁材料が用いられる。絶縁層５３を設けることで、第２積層部ＳＢ２と磁気シールド５１との距離が離れ、第２積層部ＳＢ２から発生する磁界が第１積層部ＳＢ１に印加され易くなり、高周波アシストの効果を得易くなる。
【０１６９】
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面及び第２積層部ＳＢ２の側面は、例えば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。
【０１７０】
これにより、複数の磁気記憶素子が並べられた場合において、隣の磁気記憶素子からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に影響を与えることが抑制される。これにより、回転磁界を発生させるために必要となる電流注入量を抑えることができる。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。
【０１７１】
保護層５２には、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。
【０１７２】
磁気シールド５１には、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元素、または、この群から選択された２つ以上を含む合金を用いることができる。
【０１７３】
磁気シールド５１には、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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【０１７４】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理により、磁気シールド５１の特性を調整することができる。また、磁気シールド５１には、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。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ることができる。
【０１７５】
上記の磁気シールド５１（及び保護層５２）は、実施形態に係る磁気記憶素子及びその変形の磁気記憶素子（第１〜第４積層構成のいずれかを有する磁気記憶素子）においても設けることができる。
【０１７６】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の特性について説明する。
発明者は、磁界発生部（第２積層部ＳＢ２）の特性についてマイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを実施した。このシミュレーションにおいては、以下のモデルを採用した。第４強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ（磁化：saturated magnetization）＝１０００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第２非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とした。第３強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３の面内磁化膜とした。スピン偏極度は０．４とし、ダンピング定数は０．０１とした。
【０１７７】
磁化固定層（第４強磁性層４０）とスペーサ層（第２非磁性層２０ｎ）との形状は、直径（Ｚ軸に対して垂直な幅）が２４ｎｍのピラー型形状とした。そして、第３強磁性層３０の直径（幅Ｄ３０）が２４ｎｍの場合と、１２ｎｍの場合の２通りのモデルを想定した。
【０１７８】
このシミュレーションでは、第３強磁性層３０のサイズの違いによって電流密度が変化して発振周波数が向上する特性に着目する。このため、磁化記憶部（磁気記憶部）の構造を設けず、磁界発生部の構造が設けられているモデルに関して計算を行った。
【０１７９】
図１３は、磁気記憶素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
同図は、磁界発生部の特性のマイクロマグネティクスを用いたシミュレーション結果を例示している。横軸は、電流Ｉ（マイクロアンペア：μＡ）である。縦軸は、第３強磁性層３０の膜面内方向（例えばＸ軸方向）の磁化が発振した時の発振周波数ｆｓ（ギガヘルツ：ＧＨｚ）である。
【０１８０】
図１３から分かるように、第３強磁性層３０の大きさ（幅Ｄ３０）が１２ｎｍである場合は、２４ｎｍの場合に比べて、高い周波数での発振が得られている。これは、第３強磁性層３０における電流密度が大きくなることで、より高い周波数で発振するためと考えられる。
【０１８１】
このように、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０を小さくすることによって電流密度が高まるため、より高い周波数の磁界を発生させ、これを磁気記憶部の磁気記憶層へ作用させることが可能となる。
【０１８２】
なお、磁気記憶部の構造が付与された場合は、第３強磁性層３０に加わる漏洩磁界が変化することで、発振周波数と電流の関係は、磁気記憶部の構造を設けた場合の特性と比べてシフトする。しかしながら、電流密度に対する発振周波数の変化の挙動は、このシミュレーションで採用したモデル（磁気記憶部の構造を付与されていない構成）で得られた結果で十分に把握できる。磁気記憶部部の構造が付与された場合においても、上記と同様に、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０を小さくすることによって電流密度が高まり、その結果、より高い周波数の磁界を発生させることができる。
【０１８３】
以下、磁気記憶部の構造が付与された磁気記憶素子の特性の例として、以下の構成をそれぞれ有する磁気記憶素子１６１〜１６５について説明する。これらの磁気記憶素子は、それぞれ、第１〜第５実施例に対応する。
【０１８４】
磁気記憶素子１６１（図５（ｃ）参照）は、第１積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１１２と同様の構成を有する。磁気記憶素子１６２（図６（ｃ）参照）は、第１積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１１２ａと同様の構成を有する。磁気記憶素子１６３（図９（ｅ）参照）は、第２積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１２４と同様の構成を有する。磁気記憶素子１６４（図１０（ｃ）参照）は、第３積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１３２と同様の構成を有する。磁気記憶素子１６５（図１１（ｅ）参照）は、第４積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１４４と同様の構成を有する。
【０１８５】
磁気記憶素子１６１においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きと同じである。磁気記憶素子１６２〜１６５においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１８６】
磁気記憶素子１６１においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の形状は、直径２４ｎｍのピラー型形状とした。第１強磁性層１０（厚さ６ｎｍ）は、Ｍｓ＝４００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝１０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第１非磁性層１０ｎは、ＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）とした。第２強磁性層２０（厚さ２ｎｍ）は、Ｍｓ＝６００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝２．７Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第４強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第２非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とした。第３強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３の面内磁化膜とした。第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０の直径は、１２ｎｍとした。第３非磁性層３０ｎは、厚さが２ｎｍのＣｕ膜とした。第１積層部ＳＢ１におけるスピン偏極度は、０．６とし、第２積層部ＳＢ２におけるスピン偏極度は、０．４とした。
【０１８７】
磁気記憶素子１６２においては、第３非磁性層３０ｎは、厚さが２ｎｍのＲｕ膜とした。第４強磁性層４０と第１強磁性層１０とが、互いに反強磁性結合する構造が採用された。これ以外の条件は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１８８】
磁気記憶素子１６３においては、第２積層構成を採用し、さらに、第３非磁性層３０ｎは、厚さが３ｎｍのＲｕ膜とした。第３強磁性層３０と第２強磁性層２０との間でスピントルクが伝達しない構造が採用された。これ以外の条件は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１８９】
磁気記憶素子１６４においては、第３積層構成を採用した以外は、磁気記憶素子１６１と同様とした。磁気記憶素子１６５においては、第４積層構成を採用した以外は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１９０】
さらに、参考例の磁気記憶素子１９１（図示せず）に関しても検討した。磁気記憶素子１９１においては、第２積層部ＳＢ２及び第３非磁性層３０ｎを設けず、第１積層部ＳＢ１だけが設けられるモデルを採用した。すなわち、磁気記憶素子１９１は、共鳴アシストを用いない構成を有する。磁気記憶素子１９１における第１積層部ＳＢ１の構成は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１９１】
これらの磁気記憶素子において、第２強磁性層２０における磁化の反転に関してシミュレーションを行った。
【０１９２】
図１４は、磁気記憶素子における磁化の反転の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
横軸は、時間ｔｔ（ナノ秒：ｎｓ）である。時間ｔｔは、積層体ＳＢ０に電流を通電してから経過する時間である。縦軸は、第２強磁性層２０における磁化Ｍｚの向きを表している。ここでは、磁化Ｍｚが、反平行状態から平行状態へ遷移する様子を計算している。第１強磁性層１０（磁化固定層）の磁化は下向きである。通電前において、第２強磁性層２０（記憶層）の磁化Ｍｚは、上向き（”１”）とした。そして、通電することにより、第２強磁性層２０の磁化Ｍｚは下向き（”−１”）に変化する。ここで、供給する電流は、１５μＡとした。
【０１９３】
図１４に表したように、参考例の磁気記憶素子１９１（磁界発生部を用いない）においては、磁化Ｍｚの反転時間は、４．４ｎｓであった。これに対して、第１〜第５実施例の磁気記憶素子１６１〜１６５のいずれにおいても、磁化反転が高速化している。
【０１９４】
図１５は、磁気記憶素子における磁化の反転の特性を例示するグラフ図である。
同図は、図１４の結果を基に導出されたものである。すなわち、磁化Ｍｚが−０．５になるときの時間ｔｔを、反転時間ｔｒとして求め、その結果を比較して示している。図１４の縦軸は、反転時間ｔｒ（ｎｓ）である。
図１５から分かるように、実施例の磁気記憶素子１６１〜１６５においては、参考例の磁気記憶素子１９１に比べて、反転時間ｔｒが短い。特に、磁気記憶素子１６３においては、反転の高速化の効果が顕著である。これは、第２積層構成においては、発振層（第３強磁性層３０）と記憶層（第２強磁性層２０）との間の距離が近いため、より大きな磁界が作用することに起因している。
【０１９５】
図１６は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
図１６は、発振層（第３強磁性層３０）から発生し、記憶層（第２強磁性層２０）に印加される磁界強度Ｈ３０のシミュレーション結果を例示している。横軸は、磁界強度Ｈ３０（エルステッド：Ｏｅ）であり、縦軸は、反転時間ｔｒである。この図には、参考例の磁気記憶素子１９１が三角印で表示され、実施形態に係る磁気記憶素子（磁気記憶素子１６１〜１６５を含む）が丸印で表示されている。
図１６からわかるように、磁界強度Ｈ３０が大きいと反転時間ｔｒは短くなる。
【０１９６】
第１〜第４積層構成のなかでは、第３強磁性層３０と第２強磁性層２０とが近接する第２積層構成において、反転時間ｔｒが短くなる。
【０１９７】
また、磁気記憶素子１６１と磁気記憶素子１６２とを比較すると、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０とが互いに反強磁性結合できる磁気記憶素子１６２においては、第２強磁性層２０における漏洩磁界を小さくできる。このため、磁気記憶素子１６２の構成は、望ましい構成の１つである。
【０１９８】
発明者は、発振層（第３強磁性層３０）の幅Ｄ３０（例えば直径）の、記憶層（第２強磁性層２０）の幅（例えば直径）に対する比を変えた時の、第３強磁性層３０の発振周波数ｆｓをシミュレーションにより求めた。
【０１９９】
図１７は、磁気記憶素子における発振特性を例示するグラフ図である。
横軸は、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０の、第２強磁性層２０の幅に対する比Ｒｗを示す。縦軸は、比Ｒｗが１であるときの第３強磁性層３０の発振周波数ｆｓに対する、第３強磁性層３０の発振周波数ｆｓの比Ｒｆを示す。
【０２００】
図１７に表したように、幅の比Ｒｗが小さいときに、発振周波数の比Ｒｆが大きくなり、高い発振周波数が得られる。例えば、比Ｒｗが１のとき（第３強磁性層３０が第１積層部ＳＢ１と同じサイズのとき）の２倍以上の発振周波数を得るためには、比Ｒｗは０．７以下に設定すれば良い。すなわち、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０を、第１積層部ＳＢ１の幅（例えば第１径Ｄ１）の０．７倍以下にすることで、第３強磁性層３０が第１積層部ＳＢ１と同じサイズのときの発振周波数ｆｓの２倍以上の発振周波数ｆｓが得られる。
【０２０１】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
図１８（ａ）は、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０など）の特性を例示している。図１８（ｂ）は、参考例の磁気記憶素子１９２（図示せず）の特性を例示している。磁気記憶素子１９２においては、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０（具体的には、第２積層部ＳＢ２の幅）が、第１積層部ＳＢ１の幅と同じである。
【０２０２】
これらの図（グラフ）の横軸は、積層体ＳＢ０に供給される電流Ｉを表している。縦軸は、第３強磁性層３０（第２積層部ＳＢ２）で発生する磁界の発振周波数ｆｓを表している。また、縦軸に沿って、第２強磁性層２０における共鳴周波数ｆｒの特性が模式的に描かれている。
【０２０３】
図１８（ｂ）に表したように、参考例の磁気記憶素子１９２においては、書き込み動作における電流（書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅ）によって得られる発振周波数ｆｓが低い。ここで、読み出し電流の値は、磁界発生部にとって発振に至らない大きさの値に設定されるが、読み出し電流によって仮に発振した場合の周波数帯域は磁気記憶部の共鳴周波数の帯域に近くなる。すなわち、読み出し動作における電流（読み出し電流Ｉｒｅａｄ）に対応する発振周波数ｆｓと、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅによって得られる発振周波数ｆｓと、の間の差（書き込み動作と読み出し動作との間のマージンＭｒｗ）が小さい。このような場合においても、読み出し時に誤書き込みが起こることを避けるため、読み出し電流で発振が起きてしまった場合の周波数帯域は、記憶部の共鳴周波数から±１ＧＨｚ程度離すことが望ましい。
【０２０４】
これに対して、図１８（ａ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０）においては、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅによって得られる発振周波数ｆｓが高い。このため、書き込み動作と読み出し動作との間のマージンＭｒｗが大きく、誤書き込みが発生することを十分に抑制することが可能である。
【０２０５】
すなわち、実施形態によれば、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅと読み出し電流Ｉｒｅａｄのマージンを拡大できる。
【０２０６】
このように、上記で説明した、本実施形態に係る磁気記憶素子においては、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。すなわち、実施形態においては、第３強磁性層３０のサイズ（例えば幅Ｄ３０）を小さくする。このとき、磁歪によって異方性が発現し、安定した発振を得るための電流マージンが狭くなる場合がある。このとき、第３強磁性層３０を非晶質（アモルファス）とすることで、この電流マージンが狭くなることを抑制できる。なお、実施形態において、第３強磁性層３０が非晶質である状態は、第３強磁性層３０の中に多結晶の粒子が含まれる状態も含むものとする。この状態においても、電流マージンが狭くなることが抑制される。
【０２０７】
本実施形態に係る磁気記憶素子に含まれる各層の寸法（幅及び厚さなど）は、例えば電子顕微鏡写真像などにより求められる。
【０２０８】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の例について説明する。
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。
【０２０９】
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（電極とのコンタクト層，兼ストッパ層、下地層）、ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、及び、その上にＴａ（電極とのコンタクト層）の層を、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、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。これにより、加工体が形成される。
【０２１０】
次に、ＥＢ（electron beam：電子線）リソグラフィを行い、直径１００ｎｍ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、下部電極が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【０２１１】
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コンタクト層のＴａを露出させる。
【０２１２】
続いて、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生部）、及び、Ｔａ（電極とのコンタクト層）をこの順に積層する。
【０２１３】
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２０ｎｍ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、ストッパ層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【０２１４】
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コンタクト層を露出させる。
【０２１５】
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、リフトオフ法により上部電極が形成される。さらに、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。
【０２１６】
磁気記憶素子１２４ｋの製造方法の例を説明する。
上記で説明した製造方法と同様に、下部電極上に、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、磁気記憶部、及び、Ｔａ（ストッパ層）をこの順に積層し、直径１００ｎｍのサイズに加工する。そして、第３非磁性層３０ｎ、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、及び、電極とのコンタクト層をこの順に積層し、直径２０ｎｍのサイズに加工する。そして、保護層５２となるＳｉＮ層を形成した後、磁気シールド５１となるＰｙ層を形成する。エッチバックにより、Ｐｙ層を積層体ＳＢ０の側壁に残す。さらに、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を形成し、加工し、上部電極を形成する。これにより、磁気記憶素子１２４ｋが作製される。また、埋め込み絶縁層の形状を変えることで磁気記憶素子１２４ｌが作製される。
【０２１７】
実施形態に係る磁気記憶素子において、第１積層部ＳＢ１と第３強磁性層３０（例えば第２積層部ＳＢ２）との互いの関係（形状及び位置）をセルフアラインにより設定することができる。以下、セルフアライン方式の製造方法の例について説明する。
【０２１８】
図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図１９（ａ）に表したように、基体５（例えば電極層など）の上に、下地層等を形成した後、第２強磁性層２０となる第２強磁性層膜２０ｆ、第１非磁性層１０ｎとなる第１非磁性層膜１０ｎｆ、第１強磁性層１０となる第１強磁性層膜１０ｆ、第３非磁性層３０ｎとなる第３非磁性層膜３０ｎｆ、第４強磁性層４０となる第４強磁性層膜４０ｆ、第２非磁性層２０ｎとなる第２非磁性層膜２０ｎｆ、及び、第３強磁性層３０となる第３強磁性層膜３０ｆを、この順で形成する。さらに、この上に、上側膜６（例えば電極層など）を形成し、加工体が形成される。加工体の上に、所定の形状を有するマスク材Ｍ１を形成する。マスク材Ｍ１の加工には例えばフォトリソグラフィとエッチングが用いられる。マスク材Ｍ１のＺ軸に沿ってみたときの形状は、第１積層部ＳＢ１の形状に対応する。
【０２１９】
図１９（ｂ）に表したように、マスク材Ｍ１をマスクとして用い、基体５が露出するまで第１のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第３非磁性層３０ｎ、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の形状が得られる。
【０２２０】
図１９（ｃ）に表したように、マスク材Ｍ１をスリミングする。これにより、マスク材Ｍ１の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）は、小さくなる。スリミング後のマスク材Ｍ１のＺ軸に沿ってみたときの形状は、第３強磁性層３０の形状（この例では第２積層部ＳＢ２の形状）に対応する。
【０２２１】
図１９（ｄ）に表したように、スリミング後のマスク材Ｍ１をマスクとして用い、第３非磁性層３０ｎが露出するまで第２のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０の形状が得られる。なお、第２のエッチングの条件は、第１のエッチングの条件とは異なる。
このようにして、例えば、磁気記憶素子１１０（または磁気記憶素子１１０ａなど）が得られる。
【０２２２】
図２０（ａ）〜図２０（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図２０（ａ）に表したように、基体５の上に、下地層等を形成した後、第２強磁性層膜２０ｆ、第１非磁性層膜１０ｎｆ、第１強磁性層膜１０ｆ、第３非磁性層膜３０ｎｆ、第４強磁性層膜４０ｆ、第２非磁性層膜２０ｎｆ及び第３強磁性層膜３０ｆをこの順で形成する。さらに、上側膜６を形成し、加工体が形成される。加工体の上に、所定の形状を有するマスク材Ｍ１を形成する。マスク材Ｍ１のＺ軸に沿ってみたときの形状は、例えば、第３強磁性層３０の形状（この例では第２積層部ＳＢ２の形状）に対応する。
【０２２３】
図２０（ｂ）に表したように、マスク材Ｍ１をマスクとして用い、第３非磁性層３０ｎが露出するまで第１のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第２積層部ＳＢ２（第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０）の形状が得られる。
【０２２４】
図２０（ｃ）に表したように、加工体を覆うように加工用犠牲層を形成し、その後全面をエッチングすることで、マスク材Ｍ１及び第２積層部ＳＢ２の側壁に側壁材Ｍ２を形成する。マスク材Ｍ１及び側壁材Ｍ２によるマスク部のＺ軸に沿ってみたときの形状は、第１積層部ＳＢ１の形状に対応する。
【０２２５】
図２０（ｄ）に表したように、マスク材Ｍ１及び側壁材Ｍ２によるマスク部をマスクとして用い、基体５が露出するまで第２のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第３非磁性層３０ｎ、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の形状が得られる。なお、第２のエッチングの条件は、第１のエッチングの条件とは異なる。
このようにして、例えば、磁気記憶素子１１０（または磁気記憶素子１１０ａなど）が得られる。
【０２２６】
上記のように、スリミングを用いる方法及び側壁材Ｍ２を用いる方法の少なくともいずれかを用いることで、実施形態に係る任意の磁気記憶素子（第１〜第４積層構成を有する任意の磁気記憶素子）を作製することができる。
【０２２７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、不揮発性記憶装置に係る。この不揮発性記憶装置は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を備える。
【０２２８】
図２１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２１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３４０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。
【０２２９】
各メモリセルＭＣは、実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、ＭＴＪ素子として有する。
【０２３０】
メモリセルアレイＭＣＡには、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）が配置されている。メモリセルアレイＭＣＡには、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配置されている。
【０２３１】
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。
【０２３２】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３４１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３４２ａ及び読み出し回路３４２ｂが接続されている。書き込み回路３４２ａ及び読み出し回路３４２ｂには、カラムデコーダ３４３が接続されている。
【０２３３】
各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３４１及びカラムデコーダ３４３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。
【０２３４】
ここで、ＭＴＪ素子には、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３４２ａ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３４２ａ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。
【０２３５】
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３４２ｂは、ＭＴＪ素子に、例えば右から左へ流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路３４２ｂ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。
【０２３６】
図２２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２２は、１つのメモリセルＭＣの構成を例示している。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。
【０２３７】
図２２に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３４０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８１と、第２配線８２と、を備える。第１配線８１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８２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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
第１配線８１及び第２配線８２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８１及び第２配線８２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。
【０２４０】
図２２に表したように、不揮発性記憶装置３４０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８１との間（第１の位置）、及び、磁気記憶素子１１０と第２配線８２の間（第２の位置）の少なくともいずれかの間に設けられる。これにより、図２１に関して説明した動作が実現できる。
【０２４１】
実施形態によれば、高密度化が可能な磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【０２４２】
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。
【０２４３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の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、磁気記憶素子に含まれる強磁性層、非磁性層、電極など、並びに、不揮発性記憶装置に含まれる配線及び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。
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。
【０２４４】
その他、本発明の実施の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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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】
【０２４７】
５…基体、 ６…上側膜、 １０…第１強磁性層、 １０ｆ…第１強磁性層膜、 １０ｎ…第１非磁性層、 １０ｎｆ…第１非磁性層膜、 １２ａ…磁化、 ２０…第２強磁性層、 ２０ｆ…第２強磁性層膜、 ２０ｎ…第２非磁性層、 ２０ｎｆ…第２非磁性層膜、 ２０ｎｊ…第２非磁性層周囲部、 ３０…第３強磁性層、 ３０ｆ…第３強磁性層膜、 ３０ｊ…第３強磁性層周囲部、 ３０ｎ…第３非磁性層、 ３０ｎｆ…第３非磁性層膜、 ３０ｐ…外縁、 ３２…磁化、 ４０…第４強磁性層、 ４０ｆ…第４強磁性層膜、 ４０ｊ…第４強磁性層周囲部、 ５１…磁気シールド、 ５２…保護層、 ５３…絶縁層、 ６０…電子電流、 ６１…センス電流、 ７２…磁化、 ７２ａ、７２ｂ…磁化成分、 ８１…第１配線、 ８２…第２配線、 １１０〜１１４、１１０ａ〜１１４ａ、１１０ｂ〜１１３ｂ、１１０ｃ〜１１３ｃ、１１０ｒ、１１０ｓ、１２０〜１２７、１２２ｋ、１２２ｌ、１２４ｋ、１２４ｌ、１３０〜１３５、１４０〜１４７、１６１〜１６５、１９１、１９２…磁気記憶素子、 ３４０…不揮発性記憶装置、 ３４１…ロウデコーダ、 ３４２ａ…書き込み回路、 ３４２ｂ…読み出し回路、 ３４３…カラムデコーダ、 ／ＢＬ…ビット線、 ＢＬ…ビット線、 Ｄ１…第１径、 Ｄ２…第２径、 Ｄ３０…幅、 Ｄｄ…距離、 Ｈ３０…磁界強度、 Ｉ…電流、 Ｉｒｅａｄ…読み出し電流、 Ｉｗｒｉｔｅ…書き込み電流、 Ｍ１…マスク材、 Ｍ２…側壁材、 ＭＣ…メモリセル、 ＭＣＡ…メモリセルアレイ、 Ｍｒｗ…マージン、 Ｍｚ…磁化、 Ｒｆ…比、 Ｒｗ…比、 Ｓ１…断面積、 Ｓ３０…断面積、 ＳＢ０…積層体、 ＳＢ１…第１積層部、 ＳＢ２…第２積層部、 ＳＢＰ１…第１外縁、 ＳＢＰ２…第２外縁、 ＳＤ１…積層方向、 ＳＤ２…面内軸、 ＴＲ…選択トランジスタ、 ＷＬ…ワード線、 ｆｒ…共鳴周波数、 ｆｓ…発振周波数、 ｔ…厚さ、 ｔｔ…時間、 ｔｒ…時間反転時間
【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・大容量の不揮発メモリとして注目を集めている。ＭＴＪ素子の記憶層への書き込みは、例えば、スピントルク書き込み方式により行われる。この方式においては、例えば、ＭＴＪ素子に直接通電させ、ＭＴＪ素子の基準層から注入されるスピントルクで記憶層の磁化を反転させる。このような磁気記憶素子において、さらなる微細化を可能にし、高密度な不揮発性記憶装置を実現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２００９−２１３５２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、高密度化が可能な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、積層体を備えた磁気記憶素子が提供される。前記積層体は、第１積層部と、第２積層部と、を含む。前記第１積層部は、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第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。前記第２積層部は、前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層される積層方向に沿って前記第１積層部と積層される。前記第２積層部は、磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３強磁性層と、前記第３強磁性層と前記積層方向に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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、を含む。前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第３強磁性層の断面積は、前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第１積層部の断面積よりも小さい。前記積層方向に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ、前記第３強磁性層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前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式図である。
【図２】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、磁化を示す模式図である。
【図３】図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶素子の動作を示す模式図である。
【図５】図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式的断面図である。
【図６】図６（ａ）〜図６（ｅ）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７】図７（ａ）及び図７（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８】図８（ａ）〜図８（ｈ）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９】図９（ａ）〜図９（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示する模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｆ）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１１】図１１（ａ）〜図１１（ｈ）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１２】図１２（ａ）〜図１２（ｄ）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１３】磁気記憶素子の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図１４】磁気記憶素子における磁化の反転の特性のシミュレーション結果を示すグラフ図である。
【図１５】磁気記憶素子における磁化の反転の特性を示すグラフ図である。
【図１６】磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１７】磁気記憶素子における発振特性を示すグラフ図である。
【図１８】図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、磁気記憶素子の特性を示すグラフ図である。
【図１９】図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を示す工程順模式的断面図である。
【図２０】図２０（ａ）〜図２０（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を示す工程順模式的断面図である。
【図２１】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
【図２２】第２の実施形態に係る不揮発性記憶装置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の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の実施の形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式図である。
図１（ａ）は、模式的斜視図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｃ）は、模式的平面図である。
【０００９】
図１（ａ）〜図１（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１０は、積層体ＳＢ０を備える。積層体ＳＢ０は、第１積層部ＳＢ１と、第２積層部ＳＢ２と、を含む。
【００１０】
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。
【００１１】
第１強磁性層１０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化（第１強磁性層１０の磁化）が固定されている。第２強磁性層２０においては、磁化（第２強磁性層２０の磁化）の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である。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。「膜面」は、層の主面に対して平行な面であり、「層面」に対応する。
【００１２】
すなわち、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎは、積層される。第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎが重ねられる方向を積層方向ＳＤ１とする。積層方向ＳＤ１は、例えば、第１強磁性層１０の膜面に対して垂直な方向である。
【００１３】
説明の便宜上、積層方向ＳＤ１に対して平行な軸をＺ軸とする。Ｚ軸に対して垂直な１つの軸をＸ軸とする。Ｚ軸とＸ軸とに対して垂直な軸をＹ軸とする。
【００１４】
本願明細書において、「積層」は、複数の層が互いに接して重ねられる場合に加え、間に別の要素が挿入されて複数の層が重ねられる場合を含む。
【００１５】
第２積層部ＳＢ２は、積層方向ＳＤ１に沿って第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と、第４強磁性層４０と、第２非磁性層２０ｎと、を含む。第３強磁性層３０においては、磁化（第３強磁性層３０の磁化）の方向が膜面に対して平行な方向に可変である。第４強磁性層４０は、第３強磁性層３０と積層方向ＳＤ１に沿って積層される。第４強磁性層４０においては、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化（第４強磁性層４０の磁化）が固定されている。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。
【００１６】
すなわち、第３強磁性層３０、第４強磁性層４０及び第２非磁性層２０ｎは、積層方向ＳＤ１に沿って、第１強磁性層１０、第２強磁性層２０及び第１非磁性層１０ｎと積層される。後述するように、各層の順序は、種々の変形が可能である。
【００１７】
図１（ｃ）に表したように、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。
【００１８】
例えば、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の外縁（第１外縁ＳＢＰ１）は、その平面における第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有する。この例では、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）は、互いに同じである。従って、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第３強磁性層３０の外縁３０ｐの位置は、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第２積層部ＳＢ２の外縁（第２外縁ＳＢＰ２）の位置と同じである。
【００１９】
この例では、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）は、互いに同じである。従って、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１強磁性層１０の外縁の位置、第１非磁性層２０ｎの外縁の位置及び第２強磁性層２０の外縁の位置は、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１の位置と同じである。
【００２０】
後述するように、第２積層部ＳＢ２において、例えば、第３強磁性層３０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）が、第４強磁性層４０の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）と異なっていても良い。この場合も、実施形態においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有する。
【００２１】
以下では、説明を簡単にするために、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０の幅が互いに同じであり、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の幅が互いに同じである場合について説明する。そして、第３強磁性層３０の外縁３０ｐとして、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２について説明する。
【００２２】
この例では、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第２積層部ＳＢ２の断面積は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、積層方向ＳＤ１に沿ってみたときに、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２よりも外側の部分を有する。すなわち、平面視において、第２外縁ＳＢＰ２は、第１外縁ＳＢＰ１よりも外側の部分を有する。
【００２３】
この例では、第１外縁ＳＢＰ１（積層方向ＳＤ１に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１の外縁）は、第２外縁ＳＢＰ２（積層方向ＳＤ１に沿ってみたときの第２積層部ＳＢ２の外縁）よりも外側に位置する。具体的には、第１外縁ＳＢＰ１の全てが、第２外縁ＳＢＰ２よりも外側に位置する。
【００２４】
例えば、Ｘ軸に沿った第３強磁性層３０の幅Ｄ３０は、Ｘ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅（例えば第１径Ｄ１）よりも小さい。Ｙ軸に沿った第３強磁性層３０の幅は、Ｙ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅よりも小さい。
例えば、第３強磁性層３０のサイズが第４強磁性層４０及び第２非磁性層２０ｎのサイズと同じときは、Ｘ軸に沿った第２積層部ＳＢ２の幅（例えば第２径Ｄ２）は、Ｘ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅（第１径Ｄ１）よりも小さい。同様に、Ｙ軸に沿った第２積層部ＳＢ２の幅は、Ｙ軸に沿った第１積層部ＳＢ１の幅よりも小さい。
【００２５】
例えば、第２積層部ＳＢ２の第２外縁ＳＢＰ２と、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１と、の距離は、距離Ｄｄである。距離Ｄｄは、例えばＸ−Ｙ平面内の任意の軸に沿った距離である。例えば、距離Ｄｄの２倍と、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０と、の合計が、第２径Ｄ２となる。
【００２６】
例えば、第３強磁性層３０をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積（例えば第２積層部ＳＢ２をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積）は、第１積層部ＳＢ１をＸ−Ｙ平面で切断したときの断面積よりも小さい。
【００２７】
磁気記憶素子１１０においては、積層方向ＳＤ１に沿って積層体ＳＢ０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、且つ、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に作用させることにより、第２強磁性層２０の磁化の方向を電流の向きに応じた方向に決定可能とする。上記の電流は、積層体ＳＢ０の各層の膜面に対して略垂直な方向に流れる。
【００２８】
磁気記憶素子１１０において、第２積層部ＳＢ２は、磁界発生部として機能する。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、適宜、磁界発生部と言い、第１積層部ＳＢ１を、適宜、磁気記憶部と言う。
【００２９】
第１強磁性層１０は、例えば、第１の磁化固定層である。第２強磁性層２０においては、磁化容易軸が膜面に対して略垂直方向である。第２強磁性層２０は、磁気記憶層として機能する。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強磁性層１０と、第１非磁性層１０ｎと、第２強磁性層２０と、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は、磁化回転層として機能する。第４強磁性層４０は、磁化が膜面に対して略垂直方向に固定された第２の磁化固定層として機能する。第２非磁性層２０ｎは、第２のスペーサ層として機能する。
【００３１】
このような構成を有する磁気記憶素子１１０においては、微細化したときも所定の動作が実現できる。これにより、不揮発性記憶装置の高密度化が可能になる。
【００３２】
例えば、磁気記憶部（第１積層部ＳＢ１）においては、所定の動作を確実に得るために、Ｋｕ・Ｖを一定の値にする設計が採用される。ここで、Ｋｕは、第２強磁性層２０（メモリ膜）の磁気異方性定数（magnetic anisotropy energy）であり、Ｖは、第２強磁性層２０の体積である。不揮発性記憶装置を高密度化し、磁気記憶素子を微細化する（Ｖを小さくする）と、大きいＫｕを用いることになる。
【００３３】
発明者は、第２強磁性層２０における共鳴周波数ｆｒが、以下の第１式で表されることを導き出した。
【００３４】
【数１】
ここで、γはジャイロ定数（約１７．６×１０６Ｈｚ／Ｏｅ:ヘルツ／エルステッド）、Ｋｕ（ｅｒｇ／ｃｍ３：エルグ／立方センチメートル）は第２強磁性層２０の磁気異方性、Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ：イーエムユー／シーシー、ｅｍｕ／ｃｃ＝ｅｍｕ／ｃｍ３）は第２強磁性層２０の磁化、Ｎｚは第２強磁性層２０の反磁界係数である。Ｎｚは、無次元の定数である。
【００３５】
第１式から、Ｋｕが大きいと、共鳴周波数ｆｒが大きくなることが分かる。実施形態において、磁界発生部（第２積層部ＳＢ２）で発生させる高周波磁界の発振周波数ｆｓは、磁気記憶部における共鳴周波数ｆｒに実質的に一致させる。従って、微細化のためには、磁界発生部で発生させる高周波磁界の発振周波数ｆｓを高めることが必要であることが分かった。
【００３６】
実施形態に係る磁気記憶素子は、このような新たに見出された課題を解決することができる。
【００３７】
すなわち、磁界発生部で発生させる高周波磁界の発振周波数ｆｓは、以下の第２式で表される。
【００３８】
【数２】
ここで、γはジャイロ定数である。αはダンピング定数であり、無次元の定数である。ｈはプランク定数であり、約６．６２６×１０−２７ｅｒｇ・ｓ：エルグ・秒）である。なお、６．６２６×１０−２７ｅｒｇ・ｓ（エルグ・秒）は、６．６２６×１０−３４Ｊ・ｓ（ジュール・秒）に相当する。ｅは、電気素量を表し、約１．６０２１８×１０−１９（Ａ・ｓ：アンペア・秒）である。Ｍｓ（ｅｍｕ／ｃｃ：イーエムユー／シーシー）は、第３強磁性層３０の磁化である。ｔ（ｃｍ：センチメートル）は、第３強磁性層３０の厚さである。Ｊ（Ａ／ｃｍ２：アンペア／平方センチメートル）は、第３強磁性層３０における電流密度を表す。g(θ)は、スピン偏極率に依存するスピントランスファーの効率を表すパラメータである。ここで、θ（ｒａｄ：ラジアン）は、第４強磁性層４０を経由することでスピン偏極した電子のスピンの向きと、第３強磁性層３０の磁化と、がなす角である。なお、単位系として、「°：度」から「ｒａｄ：ラジアン」への変換は「ｒａｄ＝（２π／３６０）×度」である。
【００３９】
第２式から、例えば、用いる材料のＭｓを小さくすることで、発振周波数ｆｓが上昇できることが分かる。しかしながら、この手法は、用いる材料を制限することになり、全体としての特性を高めることの妨げになる。
【００４０】
本実施形態においては、電流密度Ｊを上昇させる手法を採用する。これにより、材料の制限は解除される。電流密度Ｊを上昇させるために、第３強磁性層３０のサイズ（幅Ｄ３０：Ｚ軸方向に対して垂直な軸に沿った長さ）を小さくする。
【００４１】
換言すれば、積層方向ＳＤ１を法線とする平面における第１積層部ＳＢ１の外縁（第１外縁ＳＢＰ１）が、その平面における第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有する構成により、第３強磁性層３０のサイズが小さくなる。すなわち、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０が、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さくなる。これにより、第３強磁性層３０における電流密度Ｊが上昇し、発振周波数ｆｓが上昇できる。これにより、微細化したときに、所定の動作が実現でき、不揮発性記憶装置の高密度化が可能になる。
磁気記憶素子１１０の特性の例に関しては、後述する。
【００４２】
図１（ｃ）に例示したように、この例では、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、円形（扁平円を含む）である。ただし、実施形態において、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は、任意である。
【００４３】
磁気記憶素子１１０においては、積層体ＳＢ０は、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。すなわち、第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に設けられる。第３非磁性層３０ｎは、必要に応じて設けられ、場合によっては省略可能である。
【００４４】
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強磁性層には、例えば、面内磁化膜が用いられる。
【００４５】
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。
【００４６】
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つの軸を面内軸ＳＤ２とする。面内軸ＳＤ２は、Ｘ−Ｙ平面内の軸である。磁化７２は、膜面に対して垂直な方向の磁化斜影成分（積層方向ＳＤ１に対して平行な磁化成分７２ａ）と、膜面に対して平行な方向の磁化斜影成分（面内軸ＳＤ２に対して平行な磁化成分７２ｂ）と、を有する。
【００４７】
図２（ａ）に表したように、垂直磁化膜は、膜面に対して垂直な磁化成分７２ａが、膜面に対して平行な磁化成分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。
【００４８】
図２（ｂ）に表したように、面内磁化膜は、膜面に対して平行な磁化成分７２ｂが、膜面に対して垂直な磁化成分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。
【００４９】
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。
【００５０】
既に説明したように、第１強磁性層１０の磁化は、第１の方向に実質的に固定される。第４強磁性層４０の磁化は、第２の方向に実質的に固定されている。
【００５１】
図１（ｂ）に例示したように、磁気記憶素子１１０においては、第１の方向は上向きであり、第２の方向も上向きである。ただし、後述するように、第１の方向及び第２の方向は種々の変形が可能である。
【００５２】
磁気記憶素子１１０において、例えば、積層体ＳＢ０を挟む一対の電極（図示しない）により、積層体ＳＢ０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。
【００５３】
第２強磁性層２０は、データを記憶する役割をもつ。第２強磁性層２０の磁化は、比較的容易に反転可能である。第３強磁性層３０は、書き込み時に高周波磁界を発生させる役割をもつ。
【００５４】
膜面に対して垂直な方向に電子電流を流すと、磁界発生部の第３強磁性層３０における磁化が歳差運動する。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程度である。高周波磁界は、第２強磁性層２０の磁化に対して垂直方向の成分（第２強磁性層２０の磁化困難軸の方向の成分）を有する。したがって、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２強磁性層２０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２強磁性層２０の磁化困難軸の方向に印加されると、第２強磁性層の磁化は非常に反転し易くなる。
【００５５】
磁気記憶素子１１０においては、電子電流を積層体ＳＢ０に流すことによって、第２強磁性層２０の磁化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２強磁性層２０の磁化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２強磁性層２０の磁化の方向に応じて、「０」と「１」とがそれぞれ割り当てられる。
【００５６】
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」動作について説明する。
【００５７】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、実施形態に係る磁気記憶素子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の状態を例示している。これらの図では、第２積層部ＳＢ２及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００５８】
図３（ａ）は、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｂ）は、第１強磁性層１０から第２強磁性層２０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）は、第２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し始めた状態を例示している。図３（ｄ）は、第２強磁性層２０から第１強磁性層１０に向かって電子電流６０を流し終えた状態（磁化が反転した状態）を例示している。図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示した場合に対して、電子電流６０の向きを反転させた場合に相当する。
【００５９】
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を流して、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。
【００６０】
「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は、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の磁化が第２強磁性層２０の磁化に対して平行である時には、反平行である時よりも低い。
【００６１】
図３（ａ）に表したように、膜面に対して略垂直方向の磁化１２ａを有する第１強磁性層１０を通過した電子は、第１強磁性層１０の磁化と同じ方向のスピンをもつようになる。この電子が、第２強磁性層２０へ流れると、このスピンのもつ角運動量が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化３２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。
【００６２】
これにより、図３（ｂ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化３２は、第１強磁性層１０の磁化１２ａと同じ向きになる。この向きは、図３（ｂ）において上向きであり、例えば積層方向ＳＤ１に対して平行な１つの方向である。この向き（図３（ｂ）において上向き）の磁化３２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。
【００６３】
図３（ｃ）に表したように、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１２ａと同じ向き（図３（ｃ）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１２ａに対して逆向き（図３（ｃ）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が第２強磁性層２０へ伝達され、第２強磁性層２０の磁化３２に作用する。
【００６４】
これにより、図３（ｄ）に表したように、第２強磁性層２０の磁化３２は、第１強磁性層１０の磁化１２ａに対して逆向き（図３（ｄ）において下向き）になる。すなわち、スピントランスファトルクが働く。この向き（図３（ｄ）おいて下向き）の磁化３２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。
【００６５】
このような作用に基づいて、第２強磁性層２０の異なる状態に、「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。
【００６６】
一方、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の磁化が第２強磁性層２０の磁化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。
【００６７】
次に、「読み出し」動作について説明する。
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、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。
【００６８】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、実施形態に係る磁気記憶素子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及び第３非磁性層３０ｎは省略されている。
【００６９】
図４（ａ）は、第１強磁性層１０の磁化の方向が、第２強磁性層２０の磁化の方向と同じ場合を例示している。図４（ｂ）は、第１強磁性層１０の磁化の方向が、第２強磁性層２０の磁化の方と反平行（逆向き）である場合を例示している。
【００７０】
図４（ａ）及び図４（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４（ａ）の状態の抵抗は、図４（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４（ａ）の状態の抵抗は、図４（ｂ）の状態の抵抗よりも高い。
【００７１】
これらの抵抗が互いに異なる状態に、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４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した方向に対して逆向きでも良い。
【００７２】
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元素と、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【００７３】
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により特性を調整することができる。また、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０には、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、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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、Ｎｉ／Ｃｕ等を、第１強磁性層１０及び第２強磁性層２０に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、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）のような添加物が含まれていても良い。
【００７４】
第１非磁性層１０ｎには、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。
【００７５】
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、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、そ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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
非磁性トンネルバリア層には、例えば、絶縁材料が用いられる。具体的には、非磁性トンネルバリア層には、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しては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｔａ−Ｏ、Ａｌ−Ｚｒ−Ｏ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、及び、Ｓｉ−Ｎ−Ｏなどを用いることができる。
【００７９】
非磁性トンネルバリア層として、非磁性半導体（ＺｎＯｘ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯｘ、Ｚｎ、Ｔｅ、または、そ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。
【００８０】
第２非磁性層２０ｎとして、非磁性トンネルバリア層が用いられる場合、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。
【００８１】
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が抑制される。
【００８２】
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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【００８３】
第３強磁性層３において、含まれる磁性材料の組成や熱処理により特性を調整することができる。また、第３強磁性層３０には、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）のような添加物が含まれていても良い。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ることができる。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。
【００８４】
第４強磁性層４０には、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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【００８５】
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により特性を調整することができる。第４強磁性層４０には、ＴｂＦｅＣｏ、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４強磁性層４０には、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ及びＣｏ／Ｎｉなどの積層構造を用いることができる。Ｃｏ／Ｒｕ、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に用いることができる。第４強磁性層４０には、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）のような添加物が含まれていても良い。
【００８６】
第３非磁性層３０ｎには、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、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）、チタン（Ｔｉ）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。
【００８７】
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。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３非磁性層３０ｎに用いることが望ましい。
【００８８】
既に説明したように、磁気記憶素子１１０において、積層体ＳＢ０に電子電流を流すための一対の電極（導電層）が設けられる。
電極には、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。導電性の磁性材料の例としては、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同様の材料を挙げることができる。
【００８９】
導電性の非磁性材料の具体例としては、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）、タングステン（Ｗ）、白金（Ｐｔ）、ビスマス（Ｂｉ）、チタン（Ｔｉ）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つ以上を含む合金を用いることができる。
【００９０】
さらに、電極に用いられる導電性の非磁性材料として、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等の材料が挙げられる。
【００９１】
電極に付与される導電性の保護膜には、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）、チタン（Ｔｉ）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。
【００９２】
既に説明したように、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状は任意である。例えば、Ｚ軸に沿ってみたときの第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の形状（膜面に対して平行な面で切断した形状）は、円形、楕円形、扁平円、並びに、四角形及六角形などの３つ以上の角を有する多角形の形状を有することができる。
【００９３】
Ｚ軸に対して平行な平面で切断したときの第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で切断したときの第１積層部ＳＢ１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。
【００９４】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の構成の種々の例について説明する。以下において、説明されない構成、及び、各要素の材料などは、磁気記憶素子１１０に関して説明した構造及び各要素の材料と同様である。
【００９５】
図５（ａ）〜図５（ｅ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図５（ａ）は、既に説明した磁気記憶素子１１０に対応する。図５（ａ）〜図５（ｅ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１１０〜１１４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、この順に積層される。この積層順を、便宜的に第１積層構成と呼ぶことにする。
【００９６】
第１積層構成においては、第１強磁性層１０は、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置され、第４強磁性層４０は、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置される。
【００９７】
これらの磁気記憶素子においては、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きと同じ向きである。この例では、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは上向きであり、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、上向きである。ただし、これらの向きが下向きでも良い。
【００９８】
図５（ａ）に表したように、磁気記憶素子１１０においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置及び第２非磁性層２０ｎの外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【００９９】
図５（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１１１においては、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ及び第２非磁性層２０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【０１００】
図５（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１１２においては、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第４強磁性層４０の外縁よりも外側の部分を有している。磁気記憶素子１１０、１１１及び１１２においては、第３非磁性層３０ｎの外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致している。
【０１０１】
図５（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１３においては、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁、第４強磁性層４０の外縁及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。
【０１０２】
図５（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１１４においては、Ｚ軸に対して垂直な平面内において、第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０のそれぞれの周囲に、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。例えば、第３強磁性層３０及び第３強磁性層周囲部３０ｊは、第３強磁性層用膜から形成され、第３強磁性層周囲部３０ｊは、第３強磁性層用膜を磁気的に不活性にすることで得られる。また、第３強磁性層周囲部３０ｊは、第３強磁性層用膜を電気的に実質的に絶縁性にすることで得られる。第３強磁性層周囲部３０ｊにおけるＢｓ（飽和磁束密度）は、第３強磁性層３０におけるＢｓの１０％以下である。第３強磁性層周囲部３０ｊにおける導電率は、第３強磁性層３０における導電率の１０％以下である。
【０１０３】
磁気記憶素子１１４においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０が第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい構成が実現されている。例えば、第１積層部ＳＢ１の第１外縁ＳＢＰ１は、実質的に、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第４強磁性層４０の外縁よりも外側の部分を有する。
また、磁気記憶素子１１０、１１１及び１１３において、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１０４】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）〜図６（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａにおける各層の積層順は、磁気記憶素子１１０〜１１４とそれぞれ同じである。磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａにおいては、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１０５】
磁気記憶素子１１０ａ〜１１４の構成において、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと、一致する。第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より効果的に作用する。第２強磁性層２０の磁化反転を、より効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１０６】
磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａにおける各層の幅の相対的な関係は、磁気記憶素子１１０〜１１４におけるそれと同様なので説明を省略する。また、磁気記憶素子１１４ａに例示したように、この場合も、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１０７】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように磁気記憶素子１１０ｒ及び１１０ｓにおいては、第１強磁性層１０の磁化の向き及び第４強磁性層４０の磁化の向きが膜面に対して斜めである。
【０１０８】
この場合も、第１の方向に固定された磁化（第１強磁性層１０の磁化）の垂直斜影成分の向きは、第２の方向に固定された磁化（第４強磁性層４０の磁化）の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１０９】
第１の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きが、第２の方向に固定された磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである場合には、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低減させることができる。すなわち、第２強磁性層２０の位置において膜面に対して垂直な方向にかかる漏洩磁界を打ち消すことができる。一方、第３強磁性層３０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残留させ、作用させることができる。
【０１１０】
これにより、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと一致する。第３強磁性層３０において発生した回転磁界により、第２強磁性層２０の磁化反転を効率的にアシストすることができる。その結果、第２強磁性層２０への情報の記憶（書き込み）に必要な電流を低減させることができる。
【０１１１】
第１強磁性層１０の磁化の向き及び第４強磁性層４０の磁化の向きが膜面に対して斜めである構成は、磁気記憶素子１１０〜１１４、１１０ａ〜１１４ａ及びそれらの変形、並びに、後述する、本実施形態に係る磁気記憶素子のいずれにも適用できる。
【０１１２】
磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａ、１１０ｒ及び１１０ｓ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-Ferromagnet）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。
【０１１３】
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。この構造では、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ほぼゼロにすることができる。
【０１１４】
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）やオスミウム（Ｏｓ）などの金属材料が用いられる。非磁性層の厚さは、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。
【０１１５】
すなわち、第３非磁性層３０ｎ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つ以上を含む合金を含み、第３非磁性層３０ｎの厚さは、３ｎｍ以下であることが望ましい。
【０１１６】
上記では、第１積層部ＳＢ１の側面、及び、第２積層部ＳＢ２の側面は、Ｚ軸に対して平行である例を示したが、実施形態はこれに限らない。
図８（ａ）〜図８（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図８（ａ）〜図８（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１１０ｂ〜１１３ｂにおいては、第２積層部ＳＢ２に含まれる層の側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。この例では、第１積層部ＳＢ１の側面は、Ｚ軸に対して実質的に垂直である。
【０１１７】
磁気記憶素子１１０ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。磁気記憶素子１１１ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面及び第２非磁性層２０ｎの側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。磁気記憶素子１１２ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面、第２非磁性層２０ｎの側面及び第４強磁性層４０の側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。磁気記憶素子１１３ｂにおいては、第３強磁性層３０の側面、第２非磁性層２０ｎの側面、第４強磁性層４０の側面及び第３非磁性層３０ｎの側面が、Ｚ軸に対して傾斜している。
【０１１８】
これらの例では、第２積層部ＳＢ２のうちの、第１積層部ＳＢ１に近い第１部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）が、第２積層部ＳＢ２のうちの、第１部分よりも第１積層部ＳＢ１から遠い第２部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）よりも大きくなるように、上記の側面が傾斜している。ただし、実施形態は、これに限らず、第１部分の幅が第２部分の幅よりも小さくなるように、上記の側面が傾斜しても良い。
【０１１９】
図８（ｅ）〜図８（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１１０ｃ〜１１３ｃにおいては、第１積層部ＳＢ１の側面は、Ｚ軸に対して傾斜している。これを除き、磁気記憶素子１１０ｃ〜１１３ｃのそれぞれの構成は、磁気記憶素子１１０ｂ〜１１３ｂのそれぞれの構成と同様である。
【０１２０】
これらの例では、第１積層部ＳＢ１のうちの、第２積層部ＳＢ２に近い第３部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）が、第１積層部ＳＢ１のうちの、第３部分よりも第２積層部ＳＢ２から遠い第４部分の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）よりも小さくなるように、上記の側面が傾斜している。ただし、実施形態は、これに限らず、第３部分の幅が第４部分の幅よりも大きくなるように、上記の側面が傾斜しても良い。
【０１２１】
このように、第１積層部ＳＢ１の側面がＺ軸に対して傾斜している場合（テーパ形状の場合）は、第１積層部ＳＢ１の幅（例えば第１径Ｄ１）は、第１強磁性層１０の幅（径）と第２強磁性層２０の幅（径）との平均値とする。同様に、第２積層部ＳＢ２の側面がＺ軸に対して傾斜している場合は、第２積層部ＳＢ２の幅は、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０（径）と第４強磁性層４０の幅（径）との平均値とする。第３強磁性層３０の側面がＺ軸に対して傾斜している場合は、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０は、第３強磁性層３０の、Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さを、Ｚ軸に沿って平均した値とする。
【０１２２】
図９（ａ）〜図９（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図９（ａ）〜図９（ｈ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１２０〜１２７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。この積層順を、便宜的に第２積層構成と呼ぶことにする。
【０１２３】
第２積層構成においては、第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置され、第３強磁性層３０は、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置される。
【０１２４】
図９（ａ）及び図９（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１２０及び１２７においては、第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。例えば、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐよりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置及び第２非磁性層２０ｎの外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。磁気記憶素子１２７における第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き及び第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、磁気記憶素子１２０におけるそれらの向きに対してそれぞれ逆向きである。
【０１２５】
図９（ｂ）に表したように、磁気記憶素子１２１においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。第２非磁性層２０ｎの外縁の位置及び第４強磁性層４０の外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【０１２６】
図９（ｃ）に表したように、磁気記憶素子１２２においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ及び第２非磁性層２０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。
【０１２７】
図９（ｄ）に表したように、磁気記憶素子１２３においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。第４強磁性層４０の外縁の位置は、第１外縁ＳＢＰ１の位置と一致する。
【０１２８】
図９（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１２４においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁及び第４強磁性層４０の外縁よりも外側の部分を有している。
【０１２９】
図９（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１２５においては、第１外縁ＳＢＰ１は、第３強磁性層３０の外縁３０ｐ、第２非磁性層２０ｎの外縁、第４強磁性層４０の外縁及び第３非磁性層３０ｎの外縁よりも外側の部分を有している。
【０１３０】
図９（ｇ）に表したように、磁気記憶素子１２６においては、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。
磁気記憶素子１２０〜１２５及び１２７において、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１３１】
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１３０〜１３５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、この順に積層される。この積層順を、便宜的に第３積層構成と呼ぶことにする。
【０１３２】
第３積層構成においては、第２強磁性層２０は、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置され、第４強磁性層４０は、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第２強磁性層２０と第４強磁性層４０との間に配置される。
【０１３３】
図１０（ａ）〜図１０（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１３０〜１３４における各層の幅の関係は、磁気記憶素子１１０〜１１４（及び磁気記憶素子１１０ａ〜１１４ａ）における各層の幅の関係とそれぞれ同じである。図１０（ｅ）に表したように、磁気記憶素子１４４においては、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。磁気記憶素子１１０〜１３３及び１３５においても、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１３４】
図１０（ｆ）に表したように、磁気記憶素子１３５における第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き及び第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、磁気記憶素子１３０におけるそれらの向きに対してそれぞれ逆向きである。
【０１３５】
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１１（ａ）〜図１１（ｈ）に表したように本実施形態に係る磁気記憶素子１４０〜１４７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３０が、この順に積層される。この積層順を、便宜的に第４積層構成と呼ぶことにする。
【０１３６】
第４積層構成においては、第１強磁性層１０は、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間に配置され、第３強磁性層３０は、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０との間に配置される。第３非磁性層３０ｎは、第１強磁性層１０と第３強磁性層３０との間に配置される。
【０１３７】
図１１（ａ）〜図１１（ｇ）に表したように、磁気記憶素子１４０〜１４６における各層の幅の関係は、磁気記憶素子１２０〜１２６における各層の幅の関係とそれぞれ同じである。
【０１３８】
図１１（ｇ）に表したように、磁気記憶素子１４６においては、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊが設けられている。磁気記憶素子１４１〜１４５及び１４７においても、第３強磁性層周囲部３０ｊ、第２非磁性層周囲部２０ｎｊ及び第４強磁性層周囲部４０ｊの少なくともいずれかが設けられても良い。
【０１３９】
図１１（ｈ）に表したように、磁気記憶素子１４７における第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き及び第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、磁気記憶素子１４０におけるそれらの向きに対してそれぞれ逆向きである。
【０１４０】
上記の磁気記憶素子１２０〜１２６（第２積層構成の例）、磁気記憶素子１３０〜１４３（第３積層構成の例）及び磁気記憶素子１４０〜１４６（第４積層構成の例）においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き対して逆向きである。すなわち、これらの例では、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは上向きであり、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、下向きである。
【０１４１】
また、磁気記憶素子１２７（第２積層構成の例）、磁気記憶素子１３５（第３積層構成の例）及び磁気記憶素子１４７（第４積層構成の例）においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは下向きであり、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、上向きである。第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが下向きで、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが上向きである構成において、磁気記憶素子１２１〜１２６、磁気記憶素子１３１〜１３４及び磁気記憶素子１４０〜１４６における各層の幅の相対的な関係を適用しても良い。
【０１４２】
第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向き対して逆向きであるこれらの構成において、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の向きは、第２強磁性層２０の磁化が歳差運動する向きと、一致することができる。第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より効果的に作用し、第２強磁性層２０の磁化反転をより効率的にアシストし、これにより、書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１４３】
また、第２積層構成、第３積層構成及び第４積層構成において、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きが、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きと同じでも良い。例えば、これらの向きが上向き、または、下向きでも良い。
【０１４４】
また、上記の第２積層構成、第３積層構成及び第４積層構成において、第１強磁性層１０の磁化及び第４強磁性層４０の磁化の向きは、膜面に対して斜めでも良い。
【０１４５】
第２積層構成（例えば、磁気記憶素子１２０〜１２７及びそれらの変形）における第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、第１積層構成（例えば、磁気記憶素子１１０〜１１４、及び、１１０ａ〜１１４ａ及びそれらの変形）におけるその距離よりも短い。これにより、第３強磁性層３０において発生した回転磁界は、第２強磁性層２０に、より大きく作用し、第２強磁性層２０の磁化反転をより効率的にアシストすることができる。これにより、第２強磁性層への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１４６】
第２積層構成において、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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
すなわち、第３強磁性層３０の磁化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の磁化を独立に制御することが可能となる。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
第４積層構成（例えば、磁気記憶素子１４０〜１４７及びそれらの変形）においても、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、第１積層構成におけるその距離よりも短い。距離が短い分、磁界が大きくなるためアシスト効果が高まり、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１５６】
第４積層構成においては、第３強磁性層３０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、第４強磁性層４０でのスピン偏極の向き、及び、第１強磁性層１０でのスピン偏極の向きと同じである。これにより、例えば、第３強磁性層３０において発生する回転磁界の発生効率が向上する。
【０１５７】
第３非磁性層３０ｎ及び第２非磁性層２０ｎには、金属導体、絶縁体及び半導体のいずれを用いても良い。第３非磁性層３０ｎと第２非磁性層２０ｎとにおいて、異なる材料に基づく層を用いても良い。
【０１５８】
第３非磁性層３０ｎとして絶縁体または半導体を用いた場合には、抵抗値が上昇する。このため、この場合には、第２非磁性層２０ｎとして金属導体を用いることが好ましい。金属導体として、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）及び金（Ａｕ）などを用いることが好ましい。
【０１５９】
第３積層構成（磁気記憶素子１３０〜１３５及びそれらの変形）においては、第２強磁性層２０と第３強磁性層３０との間の距離は、第１積層構成におけるその距離よりも短い。距離が短い分、磁界が大きくなるためアシスト効果が高まり、第２強磁性層２０への書き込みに必要な電流を、より低減させることができる。
【０１６０】
第３積層構成においては、第２強磁性層２０へ入射される電子のスピン偏極の向きが、第４強磁性層４０でのスピン偏極の向き、及び、第１強磁性層１０でのスピン偏極の向きと同じである。これにより、第２強磁性層２０の磁化反転の効率が高められる。
【０１６１】
第３積層構成において、第３非磁性層３０ｎ及び第２非磁性層２０ｎとして、第４積層構成に関して説明した材料と同様の材料を用いることができる。
【０１６２】
上記の第２〜第４積層構成において、図８（ａ）〜図８（ｈ）に関して説明したように、各層の側面は、Ｚ軸に対して傾斜していても良い。
【０１６３】
本実施形態に係る磁気記憶素子において、磁気シールドをさらに設けることができる。 以下、磁気シールドの構成の例について説明する。
【０１６４】
図１２（ｃ）〜図１２（ｄ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的断面図である。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１２２ｋ及び１２２ｌにおいては、第２積層部ＳＢ２の側面に対向する磁気シールド５１が設けられる。磁気記憶素子１２２ｌにおいては、磁気シールド５１は、さらに、第１積層部ＳＢ１の側面、及び、第３非磁性層３０ｎの側面に対向している。
【０１６５】
すなわち、磁気記憶素子１２２ｋ及び１２２ｌは、積層体ＳＢ０の側面の少なくとも一部に対向する磁気シールド５１をさらに備える。磁気シールド５１は、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部を覆う。
【０１６６】
さらに、磁気記憶素子１２２ｋ及び１２２ｌは、積層体ＳＢ０の側面の上記の少なくとも一部と、磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに備える。
【０１６７】
磁気記憶素子１２２ｋにおいては、磁気シールド５１は、第２積層部ＳＢ２の側面を覆う。磁気記憶素子１２２ｌにおいては、磁気シールド５１は、第２積層部ＳＢ２の側面、第１積層部ＳＢ１の側面、及び、第３非磁性層３０ｎの側面を覆う。
【０１６８】
図１２（ｃ）及び図１２（ｄ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１２４ｋ及び１２４ｌにおいても、第２積層部ＳＢ２の側面に対向する磁気シールド５１が設けられる。磁気シールド５１は、さらに、第１積層部ＳＢ１の側面に対向している。さらに、磁気記憶素子１２４ｋ及び１２４ｌは、積層体ＳＢ０の側面の少なくとも一部と、磁気シールド５１との間に設けられた保護層５２をさらに備える。さらに、磁気記憶素子１２４ｋ及び１２４ｌは、保護層５２と第３強磁性層３０との間（この例では、保護層５２と第２積層部ＳＢ２との間）に設けられた絶縁層５３（埋め込み絶縁層）をさらに備える。磁気記憶素子１２４ｌにおいては、絶縁層５３は、第１積層部ＳＢ１と保護層５２との間にも設けられている。絶縁層５３には、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化窒化シリコンなどの絶縁材料が用いられる。絶縁層５３を設けることで、第２積層部ＳＢ２と磁気シールド５１との距離が離れ、第２積層部ＳＢ２から発生する磁界が第１積層部ＳＢ１に印加され易くなり、高周波アシストの効果を得易くなる。
【０１６９】
例えば、第１積層部ＳＢ１の側面及び第２積層部ＳＢ２の側面は、例えば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。
【０１７０】
これにより、複数の磁気記憶素子が並べられた場合において、隣の磁気記憶素子からの漏洩磁界が、第１積層部ＳＢ１及び第２積層部ＳＢ２の動作に影響を与えることが抑制される。これにより、回転磁界を発生させるために必要となる電流注入量を抑えることができる。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。
【０１７１】
保護層５２には、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。
【０１７２】
磁気シールド５１には、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元素、または、この群から選択された２つ以上を含む合金を用いることができる。
【０１７３】
磁気シールド５１には、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、の組み合わせによる合金を用いることができる。
【０１７４】
磁気シールド５１に含まれる磁性材料の組成や熱処理により、磁気シールド５１の特性を調整することができる。また、磁気シールド５１には、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。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ることができる。
【０１７５】
上記の磁気シールド５１（及び保護層５２）は、実施形態に係る磁気記憶素子及びその変形の磁気記憶素子（第１〜第４積層構成のいずれかを有する磁気記憶素子）においても設けることができる。
【０１７６】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の特性について説明する。
発明者は、磁界発生部（第２積層部ＳＢ２）の特性についてマイクロマグネティクスを用いたシミュレーションを実施した。このシミュレーションにおいては、以下のモデルを採用した。第４強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ（磁化：saturated magnetization）＝１０００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第２非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とした。第３強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３の面内磁化膜とした。スピン偏極度は０．４とし、ダンピング定数は０．０１とした。
【０１７７】
磁化固定層（第４強磁性層４０）とスペーサ層（第２非磁性層２０ｎ）との形状は、直径（Ｚ軸に対して垂直な幅）が２４ｎｍのピラー型形状とした。そして、第３強磁性層３０の直径（幅Ｄ３０）が２４ｎｍの場合と、１２ｎｍの場合の２通りのモデルを想定した。
【０１７８】
このシミュレーションでは、第３強磁性層３０のサイズの違いによって電流密度が変化して発振周波数が向上する特性に着目する。このため、磁化記憶部（磁気記憶部）の構造を設けず、磁界発生部の構造が設けられているモデルに関して計算を行った。
【０１７９】
図１３は、磁気記憶素子の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
同図は、磁界発生部の特性のマイクロマグネティクスを用いたシミュレーション結果を例示している。横軸は、電流Ｉ（マイクロアンペア：μＡ）である。縦軸は、第３強磁性層３０の膜面内方向（例えばＸ軸方向）の磁化が発振した時の発振周波数ｆｓ（ギガヘルツ：ＧＨｚ）である。
【０１８０】
図１３から分かるように、第３強磁性層３０の大きさ（幅Ｄ３０）が１２ｎｍである場合は、２４ｎｍの場合に比べて、高い周波数での発振が得られている。これは、第３強磁性層３０における電流密度が大きくなることで、より高い周波数で発振するためと考えられる。
【０１８１】
このように、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０を小さくすることによって電流密度が高まるため、より高い周波数の磁界を発生させ、これを磁気記憶部の磁気記憶層へ作用させることが可能となる。
【０１８２】
なお、磁気記憶部の構造が付与された場合は、第３強磁性層３０に加わる漏洩磁界が変化することで、発振周波数と電流の関係は、磁気記憶部の構造を設けた場合の特性と比べてシフトする。しかしながら、電流密度に対する発振周波数の変化の挙動は、このシミュレーションで採用したモデル（磁気記憶部の構造を付与されていない構成）で得られた結果で十分に把握できる。磁気記憶部部の構造が付与された場合においても、上記と同様に、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０を小さくすることによって電流密度が高まり、その結果、より高い周波数の磁界を発生させることができる。
【０１８３】
以下、磁気記憶部の構造が付与された磁気記憶素子の特性の例として、以下の構成をそれぞれ有する磁気記憶素子１６１〜１６５について説明する。これらの磁気記憶素子は、それぞれ、第１〜第５実施例に対応する。
【０１８４】
磁気記憶素子１６１（図５（ｃ）参照）は、第１積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１１２と同様の構成を有する。磁気記憶素子１６２（図６（ｃ）参照）は、第１積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１１２ａと同様の構成を有する。磁気記憶素子１６３（図９（ｅ）参照）は、第２積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１２４と同様の構成を有する。磁気記憶素子１６４（図１０（ｃ）参照）は、第３積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１３２と同様の構成を有する。磁気記憶素子１６５（図１１（ｅ）参照）は、第４積層構成を有し、具体的には、磁気記憶素子１４４と同様の構成を有する。
【０１８５】
磁気記憶素子１６１においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きと同じである。磁気記憶素子１６２〜１６５においては、第１強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きは、第４強磁性層１０の磁化の垂直斜影成分の向きに対して逆向きである。
【０１８６】
磁気記憶素子１６１においては、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の形状は、直径２４ｎｍのピラー型形状とした。第１強磁性層１０（厚さ６ｎｍ）は、Ｍｓ＝４００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝１０Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第１非磁性層１０ｎは、ＭｇＯ層（厚さ１ｎｍ）とした。第２強磁性層２０（厚さ２ｎｍ）は、Ｍｓ＝６００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝２．７Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第４強磁性層４０（厚さ１０ｎｍ）は、Ｍｓ＝１０００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝８Ｍｅｒｇ／ｃｍ３の垂直磁化膜とした。第２非磁性層２０ｎは、Ｃｕ層（厚さ２ｎｍ）とした。第３強磁性層３０（厚さ２ｎｍ）は、Ｍｓ＝８００ｅｍｕ／ｃｃで、Ｋｕ＝５０００ｅｒｇ／ｃｍ３の面内磁化膜とした。第３強磁性層３０、第２非磁性層２０ｎ及び第４強磁性層４０の直径は、１２ｎｍとした。第３非磁性層３０ｎは、厚さが２ｎｍのＣｕ膜とした。第１積層部ＳＢ１におけるスピン偏極度は、０．６とし、第２積層部ＳＢ２におけるスピン偏極度は、０．４とした。
【０１８７】
磁気記憶素子１６２においては、第３非磁性層３０ｎは、厚さが２ｎｍのＲｕ膜とした。第４強磁性層４０と第１強磁性層１０とが、互いに反強磁性結合する構造が採用された。これ以外の条件は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１８８】
磁気記憶素子１６３においては、第２積層構成を採用し、さらに、第３非磁性層３０ｎは、厚さが３ｎｍのＲｕ膜とした。第３強磁性層３０と第２強磁性層２０との間でスピントルクが伝達しない構造が採用された。これ以外の条件は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１８９】
磁気記憶素子１６４においては、第３積層構成を採用した以外は、磁気記憶素子１６１と同様とした。磁気記憶素子１６５においては、第４積層構成を採用した以外は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１９０】
さらに、参考例の磁気記憶素子１９１（図示せず）に関しても検討した。磁気記憶素子１９１においては、第２積層部ＳＢ２及び第３非磁性層３０ｎを設けず、第１積層部ＳＢ１だけが設けられるモデルを採用した。すなわち、磁気記憶素子１９１は、共鳴アシストを用いない構成を有する。磁気記憶素子１９１における第１積層部ＳＢ１の構成は、磁気記憶素子１６１と同様とした。
【０１９１】
これらの磁気記憶素子において、第２強磁性層２０における磁化の反転に関してシミュレーションを行った。
【０１９２】
図１４は、磁気記憶素子における磁化の反転の特性のシミュレーション結果を例示するグラフ図である。
横軸は、時間ｔｔ（ナノ秒：ｎｓ）である。時間ｔｔは、積層体ＳＢ０に電流を通電してから経過する時間である。縦軸は、第２強磁性層２０における磁化Ｍｚの向きを表している。ここでは、磁化Ｍｚが、反平行状態から平行状態へ遷移する様子を計算している。第１強磁性層１０（磁化固定層）の磁化は下向きである。通電前において、第２強磁性層２０（記憶層）の磁化Ｍｚは、上向き（”１”）とした。そして、通電することにより、第２強磁性層２０の磁化Ｍｚは下向き（”−１”）に変化する。ここで、供給する電流は、１５μＡとした。
【０１９３】
図１４に表したように、参考例の磁気記憶素子１９１（磁界発生部を用いない）においては、磁化Ｍｚの反転時間は、４．４ｎｓであった。これに対して、第１〜第５実施例の磁気記憶素子１６１〜１６５のいずれにおいても、磁化反転が高速化している。
【０１９４】
図１５は、磁気記憶素子における磁化の反転の特性を例示するグラフ図である。
同図は、図１４の結果を基に導出されたものである。すなわち、磁化Ｍｚが−０．５になるときの時間ｔｔを、反転時間ｔｒとして求め、その結果を比較して示している。図１４の縦軸は、反転時間ｔｒ（ｎｓ）である。
図１５から分かるように、実施例の磁気記憶素子１６１〜１６５においては、参考例の磁気記憶素子１９１に比べて、反転時間ｔｒが短い。特に、磁気記憶素子１６３においては、反転の高速化の効果が顕著である。これは、第２積層構成においては、発振層（第３強磁性層３０）と記憶層（第２強磁性層２０）との間の距離が近いため、より大きな磁界が作用することに起因している。
【０１９５】
図１６は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
図１６は、発振層（第３強磁性層３０）から発生し、記憶層（第２強磁性層２０）に印加される磁界強度Ｈ３０のシミュレーション結果を例示している。横軸は、磁界強度Ｈ３０（エルステッド：Ｏｅ）であり、縦軸は、反転時間ｔｒである。この図には、参考例の磁気記憶素子１９１が三角印で表示され、実施形態に係る磁気記憶素子（磁気記憶素子１６１〜１６５を含む）が丸印で表示されている。
図１６からわかるように、磁界強度Ｈ３０が大きいと反転時間ｔｒは短くなる。
【０１９６】
第１〜第４積層構成のなかでは、第３強磁性層３０と第２強磁性層２０とが近接する第２積層構成において、反転時間ｔｒが短くなる。
【０１９７】
また、磁気記憶素子１６１と磁気記憶素子１６２とを比較すると、第１強磁性層１０と第４強磁性層４０とが互いに反強磁性結合できる磁気記憶素子１６２においては、第２強磁性層２０における漏洩磁界を小さくできる。このため、磁気記憶素子１６２の構成は、望ましい構成の１つである。
【０１９８】
発明者は、発振層（第３強磁性層３０）の幅Ｄ３０（例えば直径）の、記憶層（第２強磁性層２０）の幅（例えば直径）に対する比を変えた時の、第３強磁性層３０の発振周波数ｆｓをシミュレーションにより求めた。
【０１９９】
図１７は、磁気記憶素子における発振特性を例示するグラフ図である。
横軸は、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０の、第２強磁性層２０の幅に対する比Ｒｗを示す。縦軸は、比Ｒｗが１であるときの第３強磁性層３０の発振周波数ｆｓに対する、第３強磁性層３０の発振周波数ｆｓの比Ｒｆを示す。
【０２００】
図１７に表したように、幅の比Ｒｗが小さいときに、発振周波数の比Ｒｆが大きくなり、高い発振周波数が得られる。例えば、比Ｒｗが１のとき（第３強磁性層３０が第１積層部ＳＢ１と同じサイズのとき）の２倍以上の発振周波数を得るためには、比Ｒｗは０．７以下に設定すれば良い。すなわち、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０を、第１積層部ＳＢ１の幅（例えば第１径Ｄ１）の０．７倍以下にすることで、第３強磁性層３０が第１積層部ＳＢ１と同じサイズのときの発振周波数ｆｓの２倍以上の発振周波数ｆｓが得られる。
【０２０１】
図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、磁気記憶素子の特性を例示するグラフ図である。
図１８（ａ）は、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０など）の特性を例示している。図１８（ｂ）は、参考例の磁気記憶素子１９２（図示せず）の特性を例示している。磁気記憶素子１９２においては、第３強磁性層３０の幅Ｄ３０（具体的には、第２積層部ＳＢ２の幅）が、第１積層部ＳＢ１の幅と同じである。
【０２０２】
これらの図（グラフ）の横軸は、積層体ＳＢ０に供給される電流Ｉを表している。縦軸は、第３強磁性層３０（第２積層部ＳＢ２）で発生する磁界の発振周波数ｆｓを表している。また、縦軸に沿って、第２強磁性層２０における共鳴周波数ｆｒの特性が模式的に描かれている。
【０２０３】
図１８（ｂ）に表したように、参考例の磁気記憶素子１９２においては、書き込み動作における電流（書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅ）によって得られる発振周波数ｆｓが低い。ここで、読み出し電流の値は、磁界発生部にとって発振に至らない大きさの値に設定されるが、読み出し電流によって仮に発振した場合の周波数帯域は磁気記憶部の共鳴周波数の帯域に近くなる。すなわち、読み出し動作における電流（読み出し電流Ｉｒｅａｄ）に対応する発振周波数ｆｓと、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅによって得られる発振周波数ｆｓと、の間の差（書き込み動作と読み出し動作との間のマージンＭｒｗ）が小さい。このような場合においても、読み出し時に誤書き込みが起こることを避けるため、読み出し電流で発振が起きてしまった場合の周波数帯域は、記憶部の共鳴周波数から±１ＧＨｚ程度離すことが望ましい。
【０２０４】
これに対して、図１８（ａ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子（例えば磁気記憶素子１１０）においては、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅによって得られる発振周波数ｆｓが高い。このため、書き込み動作と読み出し動作との間のマージンＭｒｗが大きく、誤書き込みが発生することを十分に抑制することが可能である。
【０２０５】
すなわち、実施形態によれば、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅと読み出し電流Ｉｒｅａｄのマージンを拡大できる。
【０２０６】
このように、上記で説明した、本実施形態に係る磁気記憶素子においては、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第３強磁性層３０の断面積Ｓ３０は、積層方向ＳＤ１に対して垂直な平面で切断したときの第１積層部ＳＢ１の断面積Ｓ１よりも小さい。すなわち、実施形態においては、第３強磁性層３０のサイズ（例えば幅Ｄ３０）を小さくする。このとき、磁歪によって異方性が発現し、安定した発振を得るための電流マージンが狭くなる場合がある。このとき、第３強磁性層３０を非晶質（アモルファス）とすることで、この電流マージンが狭くなることを抑制できる。なお、実施形態において、第３強磁性層３０が非晶質である状態は、第３強磁性層３０の中に多結晶の粒子が含まれる状態も含むものとする。この状態においても、電流マージンが狭くなることが抑制される。
【０２０７】
本実施形態に係る磁気記憶素子に含まれる各層の寸法（幅及び厚さなど）は、例えば電子顕微鏡写真像などにより求められる。
【０２０８】
以下、実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法の例について説明する。
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。
【０２０９】
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（電極とのコンタクト層，兼ストッパ層、下地層）、ＣｏＦｅＢ層（第２強磁性層２０）、ＭｇＯ（第１非磁性層１０ｎ）、ＣｏＦｅＢ＼ＦｅＰｔ層（第１強磁性層１０）、及び、その上にＴａ（電極とのコンタクト層）の層を、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、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。これにより、加工体が形成される。
【０２１０】
次に、ＥＢ（electron beam：電子線）リソグラフィを行い、直径１００ｎｍ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、下部電極が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【０２１１】
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コンタクト層のＴａを露出させる。
【０２１２】
続いて、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、ＦｅＰｔ＼ＣｏＦｅＢ＼Ｃｕ＼Ｐｙ層（磁界発生部）、及び、Ｔａ（電極とのコンタクト層）をこの順に積層する。
【０２１３】
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２０ｎｍ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、ストッパ層のＴａ層が露出するまで、イオンミリングによって削る。
【０２１４】
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コンタクト層を露出させる。
【０２１５】
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、リフトオフ法により上部電極が形成される。さらに、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。
【０２１６】
磁気記憶素子１２４ｋの製造方法の例を説明する。
上記で説明した製造方法と同様に、下部電極上に、Ｔａ＼Ｒｕ層（電極とのコンタクト層、兼ストッパ層）、磁気記憶部、及び、Ｔａ（ストッパ層）をこの順に積層し、直径１００ｎｍのサイズに加工する。そして、第３非磁性層３０ｎ、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ、第３強磁性層３０、及び、電極とのコンタクト層をこの順に積層し、直径２０ｎｍのサイズに加工する。そして、保護層５２となるＳｉＮ層を形成した後、磁気シールド５１となるＰｙ層を形成する。エッチバックにより、Ｐｙ層を積層体ＳＢ０の側壁に残す。さらに、埋め込み絶縁層となるＳｉＯ２膜を形成し、加工し、上部電極を形成する。これにより、磁気記憶素子１２４ｋが作製される。また、埋め込み絶縁層の形状を変えることで磁気記憶素子１２４ｌが作製される。
【０２１７】
実施形態に係る磁気記憶素子において、第１積層部ＳＢ１と第３強磁性層３０（例えば第２積層部ＳＢ２）との互いの関係（形状及び位置）をセルフアラインにより設定することができる。以下、セルフアライン方式の製造方法の例について説明する。
【０２１８】
図１９（ａ）〜図１９（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図１９（ａ）に表したように、基体５（例えば電極層など）の上に、下地層等を形成した後、第２強磁性層２０となる第２強磁性層膜２０ｆ、第１非磁性層１０ｎとなる第１非磁性層膜１０ｎｆ、第１強磁性層１０となる第１強磁性層膜１０ｆ、第３非磁性層３０ｎとなる第３非磁性層膜３０ｎｆ、第４強磁性層４０となる第４強磁性層膜４０ｆ、第２非磁性層２０ｎとなる第２非磁性層膜２０ｎｆ、及び、第３強磁性層３０となる第３強磁性層膜３０ｆを、この順で形成する。さらに、この上に、上側膜６（例えば電極層など）を形成し、加工体が形成される。加工体の上に、所定の形状を有するマスク材Ｍ１を形成する。マスク材Ｍ１の加工には例えばフォトリソグラフィとエッチングが用いられる。マスク材Ｍ１のＺ軸に沿ってみたときの形状は、第１積層部ＳＢ１の形状に対応する。
【０２１９】
図１９（ｂ）に表したように、マスク材Ｍ１をマスクとして用い、基体５が露出するまで第１のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第３非磁性層３０ｎ、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の形状が得られる。
【０２２０】
図１９（ｃ）に表したように、マスク材Ｍ１をスリミングする。これにより、マスク材Ｍ１の幅（Ｚ軸に対して垂直な軸に沿った長さ）は、小さくなる。スリミング後のマスク材Ｍ１のＺ軸に沿ってみたときの形状は、第３強磁性層３０の形状（この例では第２積層部ＳＢ２の形状）に対応する。
【０２２１】
図１９（ｄ）に表したように、スリミング後のマスク材Ｍ１をマスクとして用い、第３非磁性層３０ｎが露出するまで第２のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０の形状が得られる。なお、第２のエッチングの条件は、第１のエッチングの条件とは異なる。
このようにして、例えば、磁気記憶素子１１０（または磁気記憶素子１１０ａなど）が得られる。
【０２２２】
図２０（ａ）〜図２０（ｄ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図２０（ａ）に表したように、基体５の上に、下地層等を形成した後、第２強磁性層膜２０ｆ、第１非磁性層膜１０ｎｆ、第１強磁性層膜１０ｆ、第３非磁性層膜３０ｎｆ、第４強磁性層膜４０ｆ、第２非磁性層膜２０ｎｆ及び第３強磁性層膜３０ｆをこの順で形成する。さらに、上側膜６を形成し、加工体が形成される。加工体の上に、所定の形状を有するマスク材Ｍ１を形成する。マスク材Ｍ１のＺ軸に沿ってみたときの形状は、例えば、第３強磁性層３０の形状（この例では第２積層部ＳＢ２の形状）に対応する。
【０２２３】
図２０（ｂ）に表したように、マスク材Ｍ１をマスクとして用い、第３非磁性層３０ｎが露出するまで第１のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第２積層部ＳＢ２（第４強磁性層４０、第２非磁性層２０ｎ及び第３強磁性層３０）の形状が得られる。
【０２２４】
図２０（ｃ）に表したように、加工体を覆うように加工用犠牲層を形成し、その後全面をエッチングすることで、マスク材Ｍ１及び第２積層部ＳＢ２の側壁に側壁材Ｍ２を形成する。マスク材Ｍ１及び側壁材Ｍ２によるマスク部のＺ軸に沿ってみたときの形状は、第１積層部ＳＢ１の形状に対応する。
【０２２５】
図２０（ｄ）に表したように、マスク材Ｍ１及び側壁材Ｍ２によるマスク部をマスクとして用い、基体５が露出するまで第２のエッチングを行い、加工体を加工する。これにより、第３非磁性層３０ｎ、第１強磁性層１０、第１非磁性層１０ｎ及び第２強磁性層２０の形状が得られる。なお、第２のエッチングの条件は、第１のエッチングの条件とは異なる。
このようにして、例えば、磁気記憶素子１１０（または磁気記憶素子１１０ａなど）が得られる。
【０２２６】
上記のように、スリミングを用いる方法及び側壁材Ｍ２を用いる方法の少なくともいずれかを用いることで、実施形態に係る任意の磁気記憶素子（第１〜第４積層構成を有する任意の磁気記憶素子）を作製することができる。
【０２２７】
（第２の実施形態）
第２の実施形態は、不揮発性記憶装置に係る。この不揮発性記憶装置は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を備える。
【０２２８】
図２１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２１に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３４０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。
【０２２９】
各メモリセルＭＣは、実施形態に係る磁気記憶素子のいずれかを、ＭＴＪ素子として有する。
【０２３０】
メモリセルアレイＭＣＡには、それぞれが列（カラム）方向に延在するように、複数のビット線対（ビット線ＢＬ及びビット線／ＢＬ）が配置されている。メモリセルアレイＭＣＡには、それぞれが行（ロウ）方向に延在するように、複数のワード線ＷＬが配置されている。
【０２３１】
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。
【０２３２】
ワード線ＷＬには、ロウデコーダ３４１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３４２ａ及び読み出し回路３４２ｂが接続されている。書き込み回路３４２ａ及び読み出し回路３４２ｂには、カラムデコーダ３４３が接続されている。
【０２３３】
各メモリセルＭＣは、ロウデコーダ３４１及びカラムデコーダ３４３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。
【０２３４】
ここで、ＭＴＪ素子には、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３４２ａ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３４２ａ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。
【０２３５】
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３４２ｂは、ＭＴＪ素子に、例えば右から左へ流れる読み出し電流を供給する。そして、読み出し回路３４２ｂ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。
【０２３６】
図２２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２２は、１つのメモリセルＭＣの構成を例示している。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。
【０２３７】
図２２に表したように、本実施形態に係る不揮発性記憶装置３４０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８１と、第２配線８２と、を備える。第１配線８１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８２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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
第１配線８１及び第２配線８２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８１及び第２配線８２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。
【０２４０】
図２２に表したように、不揮発性記憶装置３４０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８１との間（第１の位置）、及び、磁気記憶素子１１０と第２配線８２の間（第２の位置）の少なくともいずれかの間に設けられる。これにより、図２１に関して説明した動作が実現できる。
【０２４１】
実施形態によれば、高密度化が可能な磁気記憶素子及び不揮発性記憶装置が提供される。
【０２４２】
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。
【０２４３】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の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、磁気記憶素子に含まれる強磁性層、非磁性層、電極など、並びに、不揮発性記憶装置に含まれる配線及び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。
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。
【０２４４】
その他、本発明の実施の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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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】
【０２４７】
５…基体、 ６…上側膜、 １０…第１強磁性層、 １０ｆ…第１強磁性層膜、 １０ｎ…第１非磁性層、 １０ｎｆ…第１非磁性層膜、 １２ａ…磁化、 ２０…第２強磁性層、 ２０ｆ…第２強磁性層膜、 ２０ｎ…第２非磁性層、 ２０ｎｆ…第２非磁性層膜、 ２０ｎｊ…第２非磁性層周囲部、 ３０…第３強磁性層、 ３０ｆ…第３強磁性層膜、 ３０ｊ…第３強磁性層周囲部、 ３０ｎ…第３非磁性層、 ３０ｎｆ…第３非磁性層膜、 ３０ｐ…外縁、 ３２…磁化、 ４０…第４強磁性層、 ４０ｆ…第４強磁性層膜、 ４０ｊ…第４強磁性層周囲部、 ５１…磁気シールド、 ５２…保護層、 ５３…絶縁層、 ６０…電子電流、 ６１…センス電流、 ７２…磁化、 ７２ａ、７２ｂ…磁化成分、 ８１…第１配線、 ８２…第２配線、 １１０〜１１４、１１０ａ〜１１４ａ、１１０ｂ〜１１３ｂ、１１０ｃ〜１１３ｃ、１１０ｒ、１１０ｓ、１２０〜１２７、１２２ｋ、１２２ｌ、１２４ｋ、１２４ｌ、１３０〜１３５、１４０〜１４７、１６１〜１６５、１９１、１９２…磁気記憶素子、 ３４０…不揮発性記憶装置、 ３４１…ロウデコーダ、 ３４２ａ…書き込み回路、 ３４２ｂ…読み出し回路、 ３４３…カラムデコーダ、 ／ＢＬ…ビット線、 ＢＬ…ビット線、 Ｄ１…第１径、 Ｄ２…第２径、 Ｄ３０…幅、 Ｄｄ…距離、 Ｈ３０…磁界強度、 Ｉ…電流、 Ｉｒｅａｄ…読み出し電流、 Ｉｗｒｉｔｅ…書き込み電流、 Ｍ１…マスク材、 Ｍ２…側壁材、 ＭＣ…メモリセル、 ＭＣＡ…メモリセルアレイ、 Ｍｒｗ…マージン、 Ｍｚ…磁化、 Ｒｆ…比、 Ｒｗ…比、 Ｓ１…断面積、 Ｓ３０…断面積、 ＳＢ０…積層体、 ＳＢ１…第１積層部、 ＳＢ２…第２積層部、 ＳＢＰ１…第１外縁、 ＳＢＰ２…第２外縁、 ＳＤ１…積層方向、 ＳＤ２…面内軸、 ＴＲ…選択トランジスタ、 ＷＬ…ワード線、 ｆｒ…共鳴周波数、 ｆｓ…発振周波数、 ｔ…厚さ、 ｔｔ…時間、 ｔｒ…時間反転時間
【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、
磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第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、
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層される積層方向に沿って前記第１積層部と積層され、
磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記積層方向に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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、
を含む第２積層部と、
を含む積層体を備え、
前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第３強磁性層の断面積は、前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第１積層部の断面積よりも小さく、
前記積層方向に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ、前記第３強磁性層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前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
前記平面における前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層の外縁は、前記平面における前記第２積層部の外縁よりも外側の部分を有することを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記第１の方向は、前記第２の方向に対して逆向きであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記積層体は、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非磁性層をさらに含み、
前記第３非磁性層は、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）、チタン（Ｔｉ）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、前記群から選択された２つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記積層体は、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非磁性層をさらに含み、
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）、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つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記積層体は、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非磁性層をさらに含み、
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ことを特徴とする請求項１〜３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積層部の前記外縁は、前記第２積層部の前記外縁よりも外側であることを特徴とする請求項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方向に沿った前記第３強磁性層の幅は、
前記積層方向に対して垂直な前記方向に沿った前記第１積層部の幅の０．７倍以下であることを特徴とする請求項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３強磁性層は、非晶質であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１０】
前記積層体の少なくとも一部の側面に対向する磁気シールドをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０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直接または間接に接続された第１配線と、
前記磁気記憶素子の他端に直接または間接に接続された第２配線と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項１２】
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配線の間の少なくともいずれかの間に設けられた選択トランジスタをさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の不揮発性記憶装置。
【請求項１】
膜面に対して垂直な成分を有する第１の方向に磁化が固定された第１強磁性層と、
磁化の方向が膜面に対して垂直な方向に可変である第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、
前記第１強磁性層、前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層が積層される積層方向に沿って前記第１積層部と積層され、
磁化の方向が膜面に対して平行な方向に可変である第３強磁性層と、
前記第３強磁性層と前記積層方向に沿って積層され、膜面に対して垂直な成分を有する第２の方向に磁化が固定された第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、
を含む第２積層部と、
を含む積層体を備え、
前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第３強磁性層の断面積は、前記積層方向に対して垂直な平面で切断したときの前記第１積層部の断面積よりも小さく、
前記積層方向に沿って前記積層体に電流を流すことによりスピン偏極した電子を前記第２強磁性層に作用させ、且つ、前記第３強磁性層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前記第２強磁性層に作用させることにより、前記第２強磁性層の磁化の方向を前記電流の向きに応じた方向に決定可能としたことを特徴とする磁気記憶素子。
【請求項２】
前記平面における前記第２強磁性層及び前記第１非磁性層の外縁は、前記平面における前記第２積層部の外縁よりも外側の部分を有することを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記第１の方向は、前記第２の方向に対して逆向きであることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記積層体は、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非磁性層をさらに含み、
前記第３非磁性層は、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）、チタン（Ｔｉ）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、前記群から選択された２つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記積層体は、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非磁性層をさらに含み、
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）、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つ以上を含む合金を含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記積層体は、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非磁性層をさらに含み、
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ことを特徴とする請求項１〜３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積層部の前記外縁は、前記第２積層部の前記外縁よりも外側であることを特徴とする請求項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方向に沿った前記第３強磁性層の幅は、
前記積層方向に対して垂直な前記方向に沿った前記第１積層部の幅の０．７倍以下であることを特徴とする請求項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３強磁性層は、非晶質であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１０】
前記積層体の少なくとも一部の側面に対向する磁気シールドをさらに備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０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直接または間接に接続された第１配線と、
前記磁気記憶素子の他端に直接または間接に接続された第２配線と、
を備えたことを特徴とする不揮発性記憶装置。
【請求項１２】
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配線の間の少なくともいずれかの間に設けられた選択トランジスタをさらに備えたことを特徴とする請求項１１記載の不揮発性記憶装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−６９８２０（Ｐ２０１３−６９８２０Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６６６２（Ｐ２０１１−２０６６６２）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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