記憶素子、記憶装置
【課題】書き込みエラーを生じることなく、短い時間で書き込み動作を行うことができる記憶素子及び記憶装置を提供する。
【解決手段】情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを含む層構造を有する記憶素子を構成する。そして上記磁化固定層が、少なくとも２つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記２つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記２つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このような構成により、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができ、書き込みエラーを低減し、より短い時間で書き込みができる。
【解決手段】情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを含む層構造を有する記憶素子を構成する。そして上記磁化固定層が、少なくとも２つの強磁性層が結合層を介して積層され、上記２つの強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合し、上記２つの強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このような構成により、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができ、書き込みエラーを低減し、より短い時間で書き込みができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】米国特許第５６９５８６４号明細書
【背景技術】
【０００３】
モバイル端末から大容量サーバに至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子においても、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。
特に、半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、中でも大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリはハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。
【０００４】
一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ等を置き換えるべく、半導体不揮発性メモリの開発が進められている。例えば、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（相変化ＲＡＭ）等が挙げられる。これらのうち、一部はすでに実用化されている。
【０００５】
これらの不揮発性メモリの中でも、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために、高速の書き換え、かつ、ほぼ無限（１０15回以上）の書き換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。
ＭＲＡＭは、その高速動作と信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
【０００６】
しかしながら、ＭＲＡＭは、低消費電力化や大容量化に課題を有している。
これは、ＭＲＡＭの記録原理、すなわち、配線から発生する電流磁界によって磁化を反転させる、という方式に起因する本質的な課題である。
【０００７】
この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録（すなわち、磁化反転）方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００８】
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じく、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている。
そして、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際に、その磁性層にトルクを与えることを利用したもので、ある閾値以上の電流を流せば、自由磁化層（記憶層）の磁化の向きが反転する。
０／１の書換えは、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより行う。
【０００９】
自由磁化層の磁化の向きの反転のための電流の絶対値は、０．１μｍ程度のスケールの記憶素子で１ｍＡ以下である。しかも、この電流値は、記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。
さらにまた、ＭＲＡＭで必要であった記録用電流磁界を発生させるためのワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
【００１０】
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）と呼ぶことにする。
高速かつ書換え回数がほぼ無限大である、というＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化や大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴＴ−ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいて、磁化反転を引き起こすスピントルクは、磁化の向きに依存してその大きさが変化する。
通常のＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶素子の構造では、スピントルクがゼロとなる磁化角度が存在する。
初期状態の磁化角度がこの角度に一致した時、磁化反転に必要な時間が非常に大きくなる。そのため、書き込み時間内に磁化反転が完了しない場合も有り得る。
書き込み時間内に反転が完了しないと、その書き込み動作は失敗（書き込みエラー）となり、正常な書き込み動作を行えないことになる。
【００１２】
本技術の課題は、エラーの発生を効果的に抑制し、短い時間で書き込み動作を行うことができる記憶素子及び記憶装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題の解決のため、本技術では記憶素子として以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われるものである。
そして、上記磁化固定層が、２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しているものである。
【００１４】
また、本技術の記憶装置は、上記本技術の記憶素子を備えると共に、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部とを備えるものである。
【００１５】
上記のように本技術の記憶素子では、上記磁化固定層を構成する上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このことで、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができる。すなわち、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になる。
【００１６】
また、本技術の記憶装置によれば、上記配線部を通じて、上記記憶素子に積層方向の電流が流すことができ、上記記憶層の磁化反転による情報の記録を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本技術によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
書き込みエラーを低減できるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
従って、本技術により、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶装置の平面図である。
【図４】磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子の概略構成についての説明図（断面図）である。
【図５】第１の実施の形態としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図６】第１の実施の形態の磁化固定層の構成を詳しく示した図である。
【図７】磁気結合エネルギーの範囲をプロットした図である。
【図８】第２の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図９】第２の実施の形態の磁化固定層の構成を詳しく示した図である。
【図１０】或る電流における励起エネルギーと反転時間の関係を示した図である。
【図１１】実施の形態の記憶素子（磁気抵抗効果型素子）の複合型磁気ヘッドへの適用例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．第１の実施の形態（具体的構成例１）＞
＜４．第２の実施の形態（具体的構成例２）＞
＜５．シミュレーション結果＞
＜６．変形例＞
【００２０】
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
まず、記憶装置の概略構成について説明する。
記憶装置の模式図を図１、図２及び図３に示す。図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。
【００２１】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）による記憶素子３が配置されて成る。
すなわち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶素子３を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
【００２２】
ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
【００２３】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１２、１４を有する。この２層の磁性層１２、１４のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層１２とし、他方の磁性層を磁化Ｍ１４の向きが変化する自由磁化層すなわち記憶層１４とする。
また、記憶素子３は、ビット線６とソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させることができる。
【００２４】
図３に示すように、記憶装置はマトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（ワード線）１及び第２の配線（ビット線）６の交点に、記憶素子３を配置して構成されている。
記憶素子３は、その平面形状が円形状とされ、図２に示した断面構造を有する。
また、記憶素子３は、図２に示したように磁化固定層１２と記憶層１４とを有している。
そして、各記憶素子３によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
【００２５】
ここで、このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
【００２６】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１２、１４の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成とすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などとも呼ばれる。
【００２７】
また、実施の形態の記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層１４の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
記憶層１４の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、保持エラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
【００２８】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
続いて、実施の形態の記憶素子３の概要について説明する。
先ずは図４の断面図を参照して、磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３’の概略構成を説明する。
なお、後の説明からも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２の向きは膜面に垂直な方向とはならない。この図４を参照して行う説明においては、便宜上、従来の記憶素子３’が備える磁化固定層の符号として「１２」を用いる。
【００２９】
図４に示すように、記憶素子３’は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層とも呼ばれる）１２、中間層（非磁性層：トンネル絶縁層）１３、磁化Ｍ１４の向きが可変である記憶層（自由磁化層）１４、キャップ層１５が同順に積層されている。
このうち、磁化固定層１２は、高い保磁力等によって、磁化Ｍ１２の向きが固定されている。この図の説明では、磁化の向きは膜面に対して垂直方向に固定されているとする。
【００３０】
記憶素子３’においては、一軸異方性を有する記憶層１４の磁化（磁気モーメント）Ｍ１４の向きにより、情報の記憶が行われる。
記憶素子３’への情報の書き込みは、記憶素子３’の各層の膜面に垂直な方向（すなわち、各層の積層方向）に電流を流して、記憶層１４にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
【００３１】
ここで、スピントルク磁化反転について簡単に説明しておく。
電子は、２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。
非磁性体の場合、その内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数となる。これに対し強磁性体の場合、その内部では両者の数に差がある。
【００３２】
まず、中間層１３を介して積層された２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）において、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４の向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層１２から記憶層１４に移動させる場合について考える。
磁化固定層１２を通過した電子は、スピン偏極、すなわち、上向きと下向きの数に差が生じている。
トンネル絶縁層としての中間層１３の厚さが十分に薄いと、スピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に、他方の磁性体、すなわち、記憶層（自由磁化層）１４に達する。
そして、２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転する、すなわち、スピン角運動量の向きが変わる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層１４の磁化Ｍ１４にも与えられる。
【００３３】
電流量、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないため、記憶層１４の磁化Ｍ１４に発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがある閾値を超えると、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、歳差運動を開始して、記憶層１４の一軸異方性により、１８０度回転したところで安定となる。すなわち、反平行状態から平行状態への反転が起こる。
【００３４】
一方、２層の強磁性体１２，１４の互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４が平行状態にあるとき、電流を逆に記憶層１４から磁化固定層１２へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１２で電子が反射される。
そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、記憶層１４に進入する際にトルクを与えて、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させるので、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４を反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この際に反転を起こすのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３５】
平行状態から反平行状態への反転は、直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが反転する、と考えてもよい。
【００３６】
このように、０／１の情報の記録は、磁化固定層（参照層）１２から記憶層１４への方向、又はその逆方向に、それぞれの極性に対応する、ある閾値以上の電流を流すことによって行われる。
【００３７】
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子３’の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３８】
さて、トンネル絶縁層としての中間層１３に用いる材料は、金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号(抵抗の変化率)が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層１３に絶縁体を用いた場合である。このときの素子を、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）素子と呼ぶ。
【００３９】
前述したスピントルクは、記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２との角度によって、大きさが変化する。
磁化Ｍ１４の向きを表す単位ベクトルをｍ１とし、磁化Ｍ１２の向きを表す単位ベクトルをｍ２とすると、スピントルクの大きさは、ｍ１×（ｍ１×ｍ２）に比例する。ここで、“×”はベクトルの外積である。
【００４０】
通常、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２は、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されている。記憶層１４の磁化Ｍ１４は、記憶層１４自身の磁化容易軸方向に向く傾向にある。このとき、ｍ１とｍ２は、０度（平行）もしくは１８０度（反平行）の角をなす。
図４ではｍ１とｍ２のなす角度が０度である場合の磁化Ｍ１２と磁化Ｍ１４の向きを例示している。
【００４１】
このようにｍ１とｍ２のなす角度が０度もしくは１８０度である場合、前述のスピントルクの式に従えば、スピントルクは全く働かないことになる。
但し現実には、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２とのなす角度が、０度もしくは１８０度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
【００４２】
磁性体は、その磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーが最も低くなる方向が磁化容易軸である。
【００４３】
熱揺らぎがない場合には、磁気エネルギーを最小にしようとする力（トルク）によって、磁化は磁化容易軸を向く。
一方、熱揺らぎによって磁化の向きが磁化容易軸から離れているときの磁気エネルギーは、磁化が磁化容易軸方向にあるときに比べて大きくなる。この差を励起エネルギーＥと呼ぶことにする。そして、磁化の向きがさらに磁化容易軸から離れ、励起エネルギーＥがある閾値を超えたとき、磁化反転が起きる。
この閾値のことをΔと呼ぶことにする。
【００４４】
上記Δは、磁化を反転させるために必要なエネルギーとみなすことができる。励起エネルギーＥ及び閾値Δの単位はジュール（Ｊ）であるが、以下では熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。このようにすると、Δは熱エネルギーに対する磁化の安定性を示す指標とみなせることから、Δを熱安定性の指標と呼ぶこともある。
【００４５】
記憶層１４の磁化Ｍ１４の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δを用いると、記憶層１４に流した電流Ｉと、それによって起きるスピントルク磁化反転に要する時間（反転時間）ｔｓは次式を満たす。
【数１】
ここで、Ｉｃ０はスピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流、ηは電流Ｉのスピン偏極率、ｅは電子の電荷、Ｍｓは磁化Ｍ１４の飽和磁化、Ｖは記憶層１４の体積、μＢはボーア磁子である。
左辺は、記憶層１４に注入されるスピンの個数に対応する。右辺は記憶層１４に存在するスピンの個数に対応する。ただし、その個数は対数項によってスケーリングされている。なお、励起エネルギーＥは電流を流した時点での磁化の方向に対応した値を用いる。
【００４６】
上記［式１］を見て分かるように、励起エネルギーＥが０に近づくにつれて、反転時間ｔｓは無限大に発散する。前述したように、磁化Ｍ１４は熱揺らぎがない場合にはＥ＝０となる磁化容易軸を向くため、反転時間の発散が問題となる。
【００４７】
ここで、熱揺らぎがある時の励起エネルギーＥについて説明する。熱揺らぎによって励起エネルギーＥは有限の値となる。記憶層が単一の強磁性層で構成される場合において、励起エネルギーＥがある値Ｘより小さくなる確率は、１−ｅｘｐ（−Ｘ）で与えられる。
ここで、ｅｘｐは指数関数である。上記［式１］より、ある電流Ｉを流した時に反転時間ｔｓで反転するために必要な励起エネルギーＥの値をＸとする。すると、ある電流Ｉを時間ｔｓだけ流した時に、確率１−ｅｘｐ（−Ｘ）で磁化反転が起きないことになる。すなわち、書き込みエラー率が１−ｅｘｐ（−Ｘ）となる。このように、励起エネルギーＥは書き込みエラー率と密接な関連がある。
【００４８】
本技術は、上記のような反転時間の発散を抑制するために、磁化固定層を、少なくとも２つ以上の強磁性層が結合層を介して積層した構成とする。隣接する２つの強磁性層は、間に挿入された結合層を介して磁気的に結合している。
このような本技術の構成によれば、磁化固定層を構成する強磁性層間の磁気的結合によって、磁化固定層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾けることができ、記憶層及び磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行になることによる磁化反転に要する時間の発散を抑えることができる。
これにより、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことができる。
【００４９】
＜３．第１の実施の形態（具体的構成例１）＞
以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
実施の形態としては、具体的な構成例として第１の構成例（第１の実施の形態）と第２の構成例（第２の実施の形態）を挙げる。
【００５０】
図５は、第１の実施の形態としての記憶素子３の概略構成図（断面図）を示している。
なお以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図５において、第１の実施の形態の記憶素子３は、下地層１１の上に、磁化固定層（参照層）１２、中間層１３（非磁性層：トンネル絶縁層）、磁化Ｍ１４の向きが可変とされた記憶層（自由磁化層）１４、及びキャップ層１５が同順に積層されている。
【００５２】
記憶層１４は、磁化容易軸が膜面に垂直な方向（この場合は図中上向き）であり、記憶層１４の磁化Ｍ１４は膜面に垂直な方向を向く。
ここまでは、図４に示した記憶素子３’の構成と同様である。
【００５３】
さらに、本実施の形態の記憶素子３では、磁化固定層１２が、複数の強磁性層と結合層を積層した多層膜で構成される。具体的に、この場合の磁化固定層１２は、図のように強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃからなる３層構造で構成されている。
このような構成では、強磁性層１２ａの磁化Ｍ１と強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２は結合層１２ｂを介して磁気的に結合している。結合層１２ｂには、Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
【００５４】
磁化固定層１２と記憶層１４との間の中間層１３には、トンネル絶縁膜を形成するための絶縁材料（各種酸化物等）、もしくは、磁気抵抗効果素子の磁性層の間に用いられる、非磁性の金属を使用することができる。
この中間層１３の材料として絶縁材料を用いると、前述したように、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能となる。
【００５５】
磁化固定層１２及び記憶層１４には、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭのＭＴＪにおいて使用されている、各種の磁性材料を使用することができる。
例えば、磁化固定層１２及び記憶層１４にＣｏＦｅ若しくはＣｏＦｅＢを使用することができる。
或いは、ＮｉＦｅ，ＴｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することができる。
【００５６】
情報の読み出しは、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、中間層１３を介して隣接する強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の相対角度によって、記憶素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００５７】
本例の磁化固定層１２の構成をさらに詳しく示したのが図６である。
具体的に、図６Ａは磁化固定層１２の斜視図、図６Ｂは磁化固定層１２の上面図である。ここでは簡単のため、結合層１２ｂは省略している。
【００５８】
本実施の形態の記憶素子３においては、磁化固定層１２の形状は円柱状とされる。ただし、楕円や矩形などその他の形状とすることもできる。ここで、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、φ１、φ２を定義する。
先ず、図６Ａの斜視図では、磁化固定層１２を垂直方向に貫く垂直軸ａＶを示している。この垂直軸ａＶは記憶層１４の磁化容易軸に一致する。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸がなす角度をθ２とする。
また図６Ｂの上面図には、強磁化層１２ａ、１２ｃの中心を通る基準線ａＨを示している。強磁化層１２ａ、１２ｃの断面形状が円形であるために、基準線ａＨの方向は任意に選べる。磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を膜面に投影したときに、基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１及びφ２とする。
【００５９】
前述したように、磁性体は磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーを記述するために以下の値を定義する。
すなわち、磁化Ｍ１が面内方向を向いているとき（θ１＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ１＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ１とする。
また、磁化Ｍ２が面内方向を向いているとき（θ２＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ２＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ２とする。
さらに、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さをΔｅｘとする。
Δ１、Δ２、Δｅｘの単位はジュール（Ｊ）であるが、前述の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δと同様に、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
【００６０】
従来の記憶素子３’においては、磁化固定層１２の磁化の向きは、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されていた（先の図４の磁化Ｍ１２を参照）。そのため、磁化固定層１２の磁化の向きと記憶層１４の磁化の向きが一致し、反転時間の増大を招いていたものである。
【００６１】
ところが、種々の検討を行った結果、図５に示したような本実施の形態に係る磁化固定層１２の構成によれば、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の角度が、記憶層１４の磁化容易軸、すなわち垂直軸ａＶに対して平行（０度）及び反平行（１８０度）以外の角度になり得ることが分かった。換言すれば、磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが斜め方向になり得るものである。
このようなとき、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが有限の角度を持つために、スピントルクが０になることがなく、反転時間の増大が抑制されることが期待できる。
【００６２】
ここで、磁化の向きが斜めとなる条件について諸々の検討を行った結果、以下のことが明らかになった。
まず、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが０である場合、すなわち磁化Ｍ１と磁化Ｍ２がそれぞれ独立に運動する場合を考える。
定義より、Δ１が正のとき、磁化Ｍ１の磁化容易軸は膜面に垂直となり、磁化Ｍ１は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ１が負のとき、磁化Ｍ１の磁化容易軸は膜面内となり、磁化Ｍ１は膜面内を向く。このとき、強磁性層１２ａは垂直軸周りの回転に対して等方的であるので、φ１の値は任意である。
同様に、Δ２が正のとき、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面に垂直となり、磁化Ｍ２は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ２が負のとき、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面内となり、磁化Ｍ２は膜面内を向く。このとき、強磁性層１２ｃは垂直軸周りの回転に対して等方的であるので、φ２の値は任意である。
【００６３】
次に、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが０以外であって、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２がそれぞれ結合して運動する、本技術本来の場合を考える。
定義より、Δｅｘが正のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の向きは平行になろうとする。逆に、Δｅｘが負のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の向きは反平行になろうとする。前者を強磁性結合、後者を反強磁性結合と呼ぶこともある。
以下では説明を簡単にするために、Δｅｘが正のときのみを考慮するが、同様の議論はΔｅｘが負の時にも成り立つ。
なお、Δｅｘが正のときには、φ１−φ２＝０となり、Δｅｘが負のときには、φ１−φ２＝１８０度となる。
【００６４】
Δ１及びΔ２がともに正であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は垂直軸に平行となる。これでは、図４にて説明した磁化固定層１２を有する記憶素子３’と同じであって、反転時間の増大は免れない。
【００６５】
一方、Δ１及びΔ２がともに負であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は膜面内となる。このとき、φ２がどのような値をとっても、強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の相対角度は一定の９０度となるため、磁気抵抗効果による抵抗の変化が起きず、情報を読み出すことができないので、ＳＴＴ−ＭＲＡＭを構成する記憶素子として用いることはできない。
【００６６】
以上のように、本技術に係る記憶素子においては、Δ１とΔ２の符号が異なっていなければならない。
【００６７】
このように、Δ１とΔ２の符号が異なっている場合には、片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面に対して垂直であり、もう片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面内にある。そしてこれら互いに向きが競合する２つの磁化を、Δｅｘを通した結合によって、斜め方向に傾けることが可能となる。
【００６８】
ただし、Δｅｘには上限がある。仮にΔｅｘが無限大の大きさを持っていたとすると、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は平行でなければならず、Δ１とΔ２の大小関係に応じて、全体の磁化容易軸が膜面に対して垂直であるか膜面内であるかのどちらかとなる。Δｅｘが無限大とならずとも、ある一定の大きさ以上となれば、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は平行になってしまう。
【００６９】
そこで、Δｅｘの上限を求めるために、様々なΔ１、Δ２の組み合わせに対して、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が平行となる上限値Δｅｘｍａｘを計算した。
図７は、その結果の一例を示している。
図７においては、Δ２を−４０に固定し、Δ１を０から１００まで振った。白い丸が計算で求めたΔｅｘの上限値である。Δｅｘがこの値よりも小さければ、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は斜め方向となることができる。ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性は、Δ１＋Δ２が０よりも小さいか大きいかで異なる。曲線Ｃ４１はΔ１＋Δ２が０よりも小さいときにおける、ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性である。一方、曲線Ｃ４２はΔ１＋Δ２が０よりも大きいときにおける、ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性である。
【００７０】
これらの曲線にうまく適合する式を探索したところ、曲線Ｃ４１と曲線Ｃ４２はともに、
Δｅｘｍａｘ＝ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２）） ・・・［式２］
と書けることが分かった。ここで、ａｂｓは絶対値を返す関数である。今、Δｅｘが正のときのみを考えているが、同様の式はΔｅｘが負のときにも成り立つ。
結局のところ、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件は、上記［式２］より、
ａｂｓ（Δｅｘ）＜ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２）） ・・・［式３］
となる。
【００７１】
以上より、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件が明らかとなった。この条件を満たすΔ１、Δ２、Δｅｘが与えられれば、記憶層１４の磁化容易軸に対して斜め方向に傾いた磁化を持つ磁化固定層１２を実現できる。
換言すれば、本実施の形態の磁化固定層１２は、Δ１とΔ２の符号が異なり且つ、上記［式３］の条件を満たすΔ１、Δ２、Δｅｘが与えられるように構成されているものである。
【００７２】
上記により説明した第１の実施の形態によれば、記憶装置のメモリセルを構成する各記憶素子３において、磁化固定層１２が強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃの積層構造となっている。
該積層構造とすることで、強磁性層１２ａの磁化Ｍ１及び強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２が膜面内に垂直な軸に対して傾いた方向とすることができる。
これによって、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２に対するスピントルクが働かなくなる現象を回避することができる。
すなわち、所定の有限の時間内で磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の向きを反転させて、情報を記録することが可能になる。
【００７３】
従って、本実施の形態によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
書き込みエラーを低減することができるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
すなわち、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
【００７４】
＜４．第２の実施の形態（具体的構成例２）＞
続いて、第２の実施の形態について説明する。
図８は、第２の実施の形態の記憶素子２０の概略構成図（断面図）である。
第２の実施の形態の記憶素子２０は、先の図５に示した第１の実施の形態の記憶素子３と比較して、磁化固定層１２が磁化固定層２１に変更された点が異なる。
この記憶素子２０の磁化固定層２１は、反強磁性層２１ｐ、強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃが同順で積層された４層構造で構成されている。
【００７５】
反強磁性層２１ｐは、磁化固定層２１の膜面内における磁化の向きを固定させるために設けられる。図中の方向ベクトルＭｐは、磁化を固定させる方向を示したものであり、その方向は膜面内にある。
【００７６】
前述のように、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さはΔｅｘとした。同様に磁化Ｍ１と反強磁性層２１ｐとの磁気的結合エネルギーの強さをΔｐｉｎとする。このΔｐｉｎについても、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
【００７７】
磁化固定層２１の構成をさらに詳しく示したのが図９である。図９Ａは磁化固定層２１の斜視図、図９Ｂは磁化固定層２１の上面図である。先の図６の場合と同様、ここでは簡単のため結合層１２ｂは省略している。
磁化固定層１２と同様、磁化固定層２１の形状は円柱状とされる。ただし、楕円や矩形などその他の形状とすることもできる。
【００７８】
ここで、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、φ１、φ２を定義する。図９Ａの斜視図において、磁化固定層２１を垂直方向に貫く垂直軸ａＶが示されている。この垂直軸ａＶは記憶層１４の磁化容易軸に一致する。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸ａＶがなす角度をθ２とする。
また、図９Ａ・図９Ｂにおいては、強磁性層２１ａ、２２ｃの中心を通る基準線ａＨが示されている。基準線ａＨは、方向ベクトルＭｐに一致するように選ぶ。そして、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を膜面に投影したときに、基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１及びφ２とする。
【００７９】
先の第１の実施の形態においては、磁化固定層１２の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２は、垂直軸ａＶとの角度θ１、θ２が固定されていたが、垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２は固定されていなかった。
ここで、図９Ａの斜視図に示した環状の点線は、磁化Ｍ１およびＭ２の軌跡を示したものである。磁化Ｍ１およびＭ２は該点線上であれば、どの方向でも向くことができる。（ただし、Δｅｘが正のときには、φ１−φ２＝０、Δｅｘが負のときには、φ１−φ２＝１８０度の条件を満たす。）
【００８０】
そこで第２の実施の形態では、反強磁性層２１ｐによって磁化固定層２１の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２を固定する。
【００８１】
図９Ｂにおいて、垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２は、磁化の固定方向を表す方向ベクトルＭｐを基準にする。そして、磁化Ｍ１は反強磁性層２１ｐによって方向ベクトルＭｐの方向に固定されるために、φ１＝０となる。磁化Ｍ２は結合層１２ｂを介して磁化Ｍ１と磁気的結合しているので、Δｅｘが正のときにはφ２＝０、Δｅｘが負のときにはφ２＝１８０度となる。
【００８２】
このように第２の実施の形態の記憶素子２０では、磁化固定層２１の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度（膜面内の角度）をある方向に固定することが可能となる。
磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度が固定されることで、反転電流の大きさを小とすることができる。すなわち、スピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流の値（［式１］におけるＩｃ０）を小とできるものである。
【００８３】
＜５．シミュレーション結果＞
上記により説明した各実施の形態の記憶素子（３及び２０）が奏する効果を明らかにすべくシミュレーションを行った。
図１０は、或る電流における励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係を示したものである。横軸は［式１］に従い、ｌｎ［（π／２）（Δ／Ｅ）1/2］とした。また、記憶層１４のΔは６０とした。
【００８４】
励起エネルギーＥは記憶素子に電流を流した時点における磁化方向から計算される値を用いる。磁化方向は熱揺らぎによって平衡状態からずれるが、励起エネルギーＥが大きいほど（図１０で言えば左側に行くほど）そのずれが大きいことを意味する。
【００８５】
従来の記憶素子３’においては、励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係は先の［式１］で表される。曲線Ｃ１は、従来の記憶素子３’についてのシミュレーション結果を示すものである。横軸が励起エネルギーＥの対数でスケールされるとき、曲線Ｃ１はほぼ直線となる。そして、励起エネルギーＥが大きいほど、短い時間で反転することが分かる。
【００８６】
今、電流の供給時間が２０ｎｓだとする。すると、曲線Ｃ１との交点は点Ｐ３となる。このときの横軸の値は約１１．５である。ここから励起エネルギーＥを求め、さらに書き込みエラー率を求めると、１．５×１０-8となる。
ランダムアクセスメモリで要求される書き込み回数は１０15回程度であるので、この書き込みエラー率は無視できる値ではない。別の電流の供給時間では、点Ｐ３の位置が変化して、それに応じて書き込みエラー率も変化する。
【００８７】
このように、従来の記憶素子３’では、電流の供給時間によって書き込みエラー率が変化し、電流の供給時間が短くなるほど書き込みエラー率は大きくなる。
【００８８】
一方、本技術の実施の形態に係る記憶素子を用いた場合の励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係が曲線Ｃ２で示されている。
なお、この曲線Ｃ２については、第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた場合の計算例を示している。このとき、強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２の向きが垂直軸よりも５度傾いているとした。
【００８９】
この曲線Ｃ２を参照すると、従来の記憶素子３’に対する曲線Ｃ１とは異なり、励起エネルギーＥが減少したときに、反転時間ｔｓの増加が約１０ｎｓで止まっていることが確認できる。これは、励起エネルギーＥが０（図１０の横軸では正の無限大）のときでも、磁化Ｍ２の向きが記憶層１４の磁化Ｍ１４の向き（垂直軸）から傾いているために、有限のスピントルクが働くためである。
【００９０】
図１０の曲線Ｃ２で示した計算例では、横軸の値が概ね５以上であれば、反転時間ｔｓは約１０ｎｓで一定である。このことは、電流を流した時点において、記憶層１４の磁化Ｍ１４がどのような向きにあっても、反転時間ｔｓが１０ｎｓを超えることがないことを意味している。
【００９１】
このように、実施の形態としての記憶素子は、電流を流した時点での磁化の向きに係わらず、反転時間ｔｓの上限（図１０の計算例においては１０ｎｓ）が決まる。そして、電流の供給時間をこの上限値以上にすれば、書き込みエラーを生ずることなく、書き込みを行うことができる。
この点からも、実施の形態の記憶素子によれば、書き込みエラーを生ずることなく、従来の記憶素子３’よりも短い時間での書き込み動作を実現可能であることが分かる。
【００９２】
なお図１０では第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた場合のシミュレーション結果を示したが、第１の実施の形態の記憶素子３を用いた場合にも概ね同様の結果が得られる。
【００９３】
＜６．変形例＞
以上、本技術に係る実施の形態について説明したが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
例えばこれまでの説明では、記憶素子３，２０が有する磁化固定層１２の強磁性層、結合層の積層構造に関して、強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃの３層構造を適用する場合を例示したが、３層構造以外でも任意の層数の積層構造を適用することができる。
【００９４】
また、これまでの説明では、記憶素子全体の積層構造として、下層側から少なくとも磁化固定層１２（２１）、中間層１３、記憶層１４の順で配置された積層構造としたが、本技術の記憶素子としては、これら各層の順序を上下逆にした配置も可能である。
【００９５】
また、本技術に係る記憶素子３もしくは記憶素子２０の構造は、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００９６】
一例として図１１Ａ、図１１Ｂに、上記記憶素子３、２０の構造の磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１１Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図１１Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
【００９７】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本技術に係る磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
【００９８】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
【００９９】
磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３もしくは記憶素子２０と同様な膜構成（層構造）とされる。
この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【０１００】
以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２２と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１２６の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【０１０１】
また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３２に記録電流が供給されることとなる。
【０１０２】
以上のように本技術の記憶素子としての積層構造体は、磁気記録媒体についての再生用ヘッド、すなわち磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子としての適用が可能である。
【０１０３】
また、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
記憶素子。
（２）
上記磁化固定層は、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
上記（１）に記載の記憶素子。
（３）
上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との磁気的結合エネルギーを層間磁気結合エネルギーとしたとき、
該層間磁気結合エネルギーの絶対値が、上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値を２倍したものの絶対値より小とされる
上記（２）に記載の記憶素子。
（４）
上記磁化固定層がさらに反強磁性層を有する上記（１）に記載の記憶素子。
（５）
上記磁化固定層は、
反強磁性層と第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
上記（４）に記載の記憶素子。
（６）
上記反強磁性層と上記第１の強磁性層の磁化が磁気的に結合して、上記第１の強磁性層の膜面内の磁化の向きが固定されている
上記（５）に記載の記憶素子。
（７）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【符号の説明】
【０１０４】
１ ゲート電極、２ 素子分離層、３,２０ 記憶素子、４ コンタクト層、６ ビット線、７ ソース領域、８ ドレイン領域、９ 配線、１０ 半導体基体、１１ 下地層、１２,２１ 磁化固定層、１２ａ,１２ｃ 強磁性層、１２ｂ 結合層、１３ 中間層、１４ 記憶層、１５ キャップ層、２１ｐ 反強磁性層
【技術分野】
【０００１】
本技術は、複数の磁性層を有し、スピントルク磁化反転を利用して記録を行う記憶素子及び記憶装置に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００２】
【特許文献１】特開２００３−１７７８２号公報
【特許文献２】米国特許第５６９５８６４号明細書
【背景技術】
【０００３】
モバイル端末から大容量サーバに至るまで、各種情報機器の飛躍的な発展に伴い、これを構成するメモリやロジック等の素子においても、高集積化、高速化、低消費電力化等、さらなる高性能化が追求されている。
特に、半導体不揮発性メモリの進歩は著しく、中でも大容量ファイルメモリとしてのフラッシュメモリはハードディスクドライブを駆逐する勢いで普及が進んでいる。
【０００４】
一方、コードストレージ用さらにはワーキングメモリへの展開を睨み、現在一般に用いられているＮＯＲフラッシュメモリ、ＤＲＡＭ等を置き換えるべく、半導体不揮発性メモリの開発が進められている。例えば、ＦｅＲＡＭ（Ferroelectric Random Access Memory）、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）、ＰＣＲＡＭ（相変化ＲＡＭ）等が挙げられる。これらのうち、一部はすでに実用化されている。
【０００５】
これらの不揮発性メモリの中でも、ＭＲＡＭは、磁性体の磁化方向によりデータ記憶を行うために、高速の書き換え、かつ、ほぼ無限（１０15回以上）の書き換えが可能であり、既に産業オートメーションや航空機等の分野で使用されている。
ＭＲＡＭは、その高速動作と信頼性から、今後、コードストレージやワーキングメモリへの展開が期待されている。
【０００６】
しかしながら、ＭＲＡＭは、低消費電力化や大容量化に課題を有している。
これは、ＭＲＡＭの記録原理、すなわち、配線から発生する電流磁界によって磁化を反転させる、という方式に起因する本質的な課題である。
【０００７】
この問題を解決するための一つの方法として、電流磁界によらない記録（すなわち、磁化反転）方式が検討されており、中でもスピントルク磁化反転に関する研究は活発である（例えば、特許文献１及び特許文献２を参照）。
【０００８】
スピントルク磁化反転の記憶素子は、ＭＲＡＭと同じく、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction）により構成されている。
そして、ある方向に固定された磁性層を通過するスピン偏極電子が、他の自由な（方向を固定されない）磁性層に進入する際に、その磁性層にトルクを与えることを利用したもので、ある閾値以上の電流を流せば、自由磁化層（記憶層）の磁化の向きが反転する。
０／１の書換えは、記憶素子に流す電流の極性を変えることにより行う。
【０００９】
自由磁化層の磁化の向きの反転のための電流の絶対値は、０．１μｍ程度のスケールの記憶素子で１ｍＡ以下である。しかも、この電流値は、記憶素子の体積に比例して減少するため、スケーリングが可能である。
さらにまた、ＭＲＡＭで必要であった記録用電流磁界を発生させるためのワード線が不要であるため、セル構造が単純になるという利点もある。
【００１０】
以下、スピントルク磁化反転を利用したＭＲＡＭを、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）と呼ぶことにする。
高速かつ書換え回数がほぼ無限大である、というＭＲＡＭの利点を保ったまま、低消費電力化や大容量化を可能とする不揮発メモリとして、ＳＴＴ−ＭＲＡＭに大きな期待が寄せられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおいて、磁化反転を引き起こすスピントルクは、磁化の向きに依存してその大きさが変化する。
通常のＳＴＴ−ＭＲＡＭの記憶素子の構造では、スピントルクがゼロとなる磁化角度が存在する。
初期状態の磁化角度がこの角度に一致した時、磁化反転に必要な時間が非常に大きくなる。そのため、書き込み時間内に磁化反転が完了しない場合も有り得る。
書き込み時間内に反転が完了しないと、その書き込み動作は失敗（書き込みエラー）となり、正常な書き込み動作を行えないことになる。
【００１２】
本技術の課題は、エラーの発生を効果的に抑制し、短い時間で書き込み動作を行うことができる記憶素子及び記憶装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題の解決のため、本技術では記憶素子として以下のように構成することとした。
すなわち、本技術の記憶素子は、情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、磁化の向きが固定された磁化固定層と、上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層とを少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われるものである。
そして、上記磁化固定層が、２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜しているものである。
【００１４】
また、本技術の記憶装置は、上記本技術の記憶素子を備えると共に、上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部とを備えるものである。
【００１５】
上記のように本技術の記憶素子では、上記磁化固定層を構成する上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している。このことで、上記記憶層及び上記磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行とされてしまうことによる磁化反転時間の発散を効果的に抑えることができる。すなわち、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になる。
【００１６】
また、本技術の記憶装置によれば、上記配線部を通じて、上記記憶素子に積層方向の電流が流すことができ、上記記憶層の磁化反転による情報の記録を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本技術によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
書き込みエラーを低減できるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
従って、本技術により、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】実施の形態の記憶装置の概略斜視図である。
【図２】実施の形態の記憶装置の断面図である。
【図３】実施の形態の記憶装置の平面図である。
【図４】磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子の概略構成についての説明図（断面図）である。
【図５】第１の実施の形態としての記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図６】第１の実施の形態の磁化固定層の構成を詳しく示した図である。
【図７】磁気結合エネルギーの範囲をプロットした図である。
【図８】第２の実施の形態の記憶素子の概略構成図（断面図）である。
【図９】第２の実施の形態の磁化固定層の構成を詳しく示した図である。
【図１０】或る電流における励起エネルギーと反転時間の関係を示した図である。
【図１１】実施の形態の記憶素子（磁気抵抗効果型素子）の複合型磁気ヘッドへの適用例を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を次の順序で説明する。
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
＜３．第１の実施の形態（具体的構成例１）＞
＜４．第２の実施の形態（具体的構成例２）＞
＜５．シミュレーション結果＞
＜６．変形例＞
【００２０】
＜１．実施の形態の記憶装置の概略構成＞
まず、記憶装置の概略構成について説明する。
記憶装置の模式図を図１、図２及び図３に示す。図１は斜視図、図２は断面図、図３は平面図である。
【００２１】
図１に示すように、実施の形態の記憶装置は、互いに直交する２種類のアドレス配線（例えばワード線とビット線）の交点付近に、磁化状態で情報を保持することができるＳＴＴ−ＭＲＡＭ（Spin Transfer Torque - Magnetic Random Access Memory）による記憶素子３が配置されて成る。
すなわち、シリコン基板等の半導体基体１０の素子分離層２により分離された部分に、各記憶素子３を選択するための選択用トランジスタを構成する、ドレイン領域８、ソース領域７、並びにゲート電極１が、それぞれ形成されている。このうち、ゲート電極１は、図中前後方向に延びる一方のアドレス配線（ワード線）を兼ねている。
【００２２】
ドレイン領域８は、図１中左右の選択用トランジスタに共通して形成されており、このドレイン領域８には、配線９が接続されている。
そして、ソース領域７と、上方に配置された、図１中左右方向に延びるビット線６との間に、スピントルク磁化反転により磁化の向きが反転する記憶層を有する記憶素子３が配置されている。この記憶素子３は、例えば磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）により構成される。
【００２３】
図２に示すように、記憶素子３は２つの磁性層１２、１４を有する。この２層の磁性層１２、１４のうち、一方の磁性層を磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層１２とし、他方の磁性層を磁化Ｍ１４の向きが変化する自由磁化層すなわち記憶層１４とする。
また、記憶素子３は、ビット線６とソース領域７とに、それぞれ上下のコンタクト層４を介して接続されている。
これにより、２種類のアドレス配線１、６を通じて、記憶素子３に上下方向（積層方向）の電流を流して、スピントルク磁化反転により記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させることができる。
【００２４】
図３に示すように、記憶装置はマトリクス状に直交配置させたそれぞれ多数の第１の配線（ワード線）１及び第２の配線（ビット線）６の交点に、記憶素子３を配置して構成されている。
記憶素子３は、その平面形状が円形状とされ、図２に示した断面構造を有する。
また、記憶素子３は、図２に示したように磁化固定層１２と記憶層１４とを有している。
そして、各記憶素子３によって、記憶装置のメモリセルが構成される。
【００２５】
ここで、このような記憶装置では、選択トランジスタの飽和電流以下の電流で書き込みを行う必要があり、トランジスタの飽和電流は微細化に伴って低下することが知られているため、記憶装置の微細化のためには、スピントランスファの効率を改善して、記憶素子３に流す電流を低減させることが好適である。
【００２６】
また、読み出し信号を大きくするためには、大きな磁気抵抗変化率を確保する必要があり、そのためには上述のようなＭＴＪ構造を採用すること、すなわち２層の磁性層１２、１４の間に中間層をトンネル絶縁層（トンネルバリア層）とした記憶素子３の構成とすることが効果的である。
このように中間層としてトンネル絶縁層を用いた場合には、トンネル絶縁層が絶縁破壊することを防ぐために、記憶素子３に流す電流量に制限が生じる。すなわち記憶素子３の繰り返し書き込みに対する信頼性の確保の観点からも、スピントルク磁化反転に必要な電流を抑制することが好ましい。なお、スピントルク磁化反転に必要な電流は、反転電流、記憶電流などとも呼ばれる。
【００２７】
また、実施の形態の記憶装置は不揮発メモリ装置であるから、電流によって書き込まれた情報を安定に記憶する必要がある。つまり、記憶層１４の磁化の熱揺らぎに対する安定性（熱安定性）を確保する必要がある。
記憶層１４の熱安定性が確保されていないと、反転した磁化の向きが、熱（動作環境における温度）により再反転する場合があり、保持エラーとなってしまう。
本記憶装置における記憶素子３（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、スケーリングにおいて有利、すなわち体積を小さくすることは可能であるが、体積が小さくなることは、他の特性が同一であるならば、熱安定性を低下させる方向にある。
ＳＴＴ−ＭＲＡＭの大容量化を進めた場合、記憶素子３の体積は一層小さくなるので、熱安定性の確保は重要な課題となる。
そのため、ＳＴＴ−ＭＲＡＭにおける記憶素子３において、熱安定性は非常に重要な特性であり、体積を減少させてもこの熱安定性が確保されるように設計する必要がある。
【００２８】
＜２．実施の形態の記憶素子の概要＞
続いて、実施の形態の記憶素子３の概要について説明する。
先ずは図４の断面図を参照して、磁化の向きが膜面に垂直とされた従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭによる記憶素子３’の概略構成を説明する。
なお、後の説明からも理解されるように、本実施の形態の記憶素子３においては、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２の向きは膜面に垂直な方向とはならない。この図４を参照して行う説明においては、便宜上、従来の記憶素子３’が備える磁化固定層の符号として「１２」を用いる。
【００２９】
図４に示すように、記憶素子３’は、下地層１１の上に、磁化Ｍ１２の向きが固定された磁化固定層（参照層とも呼ばれる）１２、中間層（非磁性層：トンネル絶縁層）１３、磁化Ｍ１４の向きが可変である記憶層（自由磁化層）１４、キャップ層１５が同順に積層されている。
このうち、磁化固定層１２は、高い保磁力等によって、磁化Ｍ１２の向きが固定されている。この図の説明では、磁化の向きは膜面に対して垂直方向に固定されているとする。
【００３０】
記憶素子３’においては、一軸異方性を有する記憶層１４の磁化（磁気モーメント）Ｍ１４の向きにより、情報の記憶が行われる。
記憶素子３’への情報の書き込みは、記憶素子３’の各層の膜面に垂直な方向（すなわち、各層の積層方向）に電流を流して、記憶層１４にスピントルク磁化反転を起こさせることにより行う。
【００３１】
ここで、スピントルク磁化反転について簡単に説明しておく。
電子は、２種類のスピン角運動量をもつ。仮にこれを上向き、下向きと定義する。
非磁性体の場合、その内部では、上向きのスピン角運動量を持つ電子と、下向きのスピン角運動量を持つ電子の両者が同数となる。これに対し強磁性体の場合、その内部では両者の数に差がある。
【００３２】
まず、中間層１３を介して積層された２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）において、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４の向きが反平行状態にあり、電子を磁化固定層１２から記憶層１４に移動させる場合について考える。
磁化固定層１２を通過した電子は、スピン偏極、すなわち、上向きと下向きの数に差が生じている。
トンネル絶縁層としての中間層１３の厚さが十分に薄いと、スピン偏極が緩和して通常の非磁性体における非偏極（上向きと下向きが同数）状態になる前に、他方の磁性体、すなわち、記憶層（自由磁化層）１４に達する。
そして、２層の強磁性体（磁化固定層１２及び記憶層１４）のスピン偏極度の符号が逆になっていることにより、系のエネルギーを下げるために、一部の電子は、反転する、すなわち、スピン角運動量の向きが変わる。このとき、系の全角運動量は保存されなくてはならないため、向きを変えた電子による角運動量変化の合計と等価な反作用が、記憶層１４の磁化Ｍ１４にも与えられる。
【００３３】
電流量、すなわち、単位時間に通過する電子の数が少ない場合には、向きを変える電子の総数も少ないため、記憶層１４の磁化Ｍ１４に発生する角運動量変化も小さいが、電流が増えると、多くの角運動量変化を単位時間内に与えることができる。
角運動量の時間変化はトルクであり、トルクがある閾値を超えると、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、歳差運動を開始して、記憶層１４の一軸異方性により、１８０度回転したところで安定となる。すなわち、反平行状態から平行状態への反転が起こる。
【００３４】
一方、２層の強磁性体１２，１４の互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４が平行状態にあるとき、電流を逆に記憶層１４から磁化固定層１２へ電子を送る向きに流すと、今度は磁化固定層１２で電子が反射される。
そして、反射されてスピンの向きが反転した電子が、記憶層１４に進入する際にトルクを与えて、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きを反転させるので、互いの磁化Ｍ１２，Ｍ１４を反平行状態へと反転させることができる。
ただし、この際に反転を起こすのに必要な電流量は、反平行状態から平行状態へと反転させる場合よりも多くなる。
【００３５】
平行状態から反平行状態への反転は、直感的な理解が困難であるが、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２が固定されているために反転できず、系全体の角運動量を保存するために記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが反転する、と考えてもよい。
【００３６】
このように、０／１の情報の記録は、磁化固定層（参照層）１２から記憶層１４への方向、又はその逆方向に、それぞれの極性に対応する、ある閾値以上の電流を流すことによって行われる。
【００３７】
情報の読み出しは、従来型のＭＲＡＭと同様に、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２の向きに対して、平行であるか反平行であるかに従って、記憶素子３’の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００３８】
さて、トンネル絶縁層としての中間層１３に用いる材料は、金属でも絶縁体でも構わないが、より高い読み出し信号(抵抗の変化率)が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能とされるのは、中間層１３に絶縁体を用いた場合である。このときの素子を、強磁性トンネル接合（Magnetic Tunnel Junction：ＭＴＪ）素子と呼ぶ。
【００３９】
前述したスピントルクは、記憶層１４の磁化Ｍ１４と磁化固定層（参照層）１２の磁化Ｍ１２との角度によって、大きさが変化する。
磁化Ｍ１４の向きを表す単位ベクトルをｍ１とし、磁化Ｍ１２の向きを表す単位ベクトルをｍ２とすると、スピントルクの大きさは、ｍ１×（ｍ１×ｍ２）に比例する。ここで、“×”はベクトルの外積である。
【００４０】
通常、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２は、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されている。記憶層１４の磁化Ｍ１４は、記憶層１４自身の磁化容易軸方向に向く傾向にある。このとき、ｍ１とｍ２は、０度（平行）もしくは１８０度（反平行）の角をなす。
図４ではｍ１とｍ２のなす角度が０度である場合の磁化Ｍ１２と磁化Ｍ１４の向きを例示している。
【００４１】
このようにｍ１とｍ２のなす角度が０度もしくは１８０度である場合、前述のスピントルクの式に従えば、スピントルクは全く働かないことになる。
但し現実には、記憶層１４の磁化Ｍ１４は、熱揺らぎによって磁化容易軸の周りにランダムに分布しているために、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２とのなす角度が、０度もしくは１８０度から離れたときに、スピントルクが働き、磁化反転を起こすことができる。
【００４２】
磁性体は、その磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーが最も低くなる方向が磁化容易軸である。
【００４３】
熱揺らぎがない場合には、磁気エネルギーを最小にしようとする力（トルク）によって、磁化は磁化容易軸を向く。
一方、熱揺らぎによって磁化の向きが磁化容易軸から離れているときの磁気エネルギーは、磁化が磁化容易軸方向にあるときに比べて大きくなる。この差を励起エネルギーＥと呼ぶことにする。そして、磁化の向きがさらに磁化容易軸から離れ、励起エネルギーＥがある閾値を超えたとき、磁化反転が起きる。
この閾値のことをΔと呼ぶことにする。
【００４４】
上記Δは、磁化を反転させるために必要なエネルギーとみなすことができる。励起エネルギーＥ及び閾値Δの単位はジュール（Ｊ）であるが、以下では熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。このようにすると、Δは熱エネルギーに対する磁化の安定性を示す指標とみなせることから、Δを熱安定性の指標と呼ぶこともある。
【００４５】
記憶層１４の磁化Ｍ１４の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δを用いると、記憶層１４に流した電流Ｉと、それによって起きるスピントルク磁化反転に要する時間（反転時間）ｔｓは次式を満たす。
【数１】
ここで、Ｉｃ０はスピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流、ηは電流Ｉのスピン偏極率、ｅは電子の電荷、Ｍｓは磁化Ｍ１４の飽和磁化、Ｖは記憶層１４の体積、μＢはボーア磁子である。
左辺は、記憶層１４に注入されるスピンの個数に対応する。右辺は記憶層１４に存在するスピンの個数に対応する。ただし、その個数は対数項によってスケーリングされている。なお、励起エネルギーＥは電流を流した時点での磁化の方向に対応した値を用いる。
【００４６】
上記［式１］を見て分かるように、励起エネルギーＥが０に近づくにつれて、反転時間ｔｓは無限大に発散する。前述したように、磁化Ｍ１４は熱揺らぎがない場合にはＥ＝０となる磁化容易軸を向くため、反転時間の発散が問題となる。
【００４７】
ここで、熱揺らぎがある時の励起エネルギーＥについて説明する。熱揺らぎによって励起エネルギーＥは有限の値となる。記憶層が単一の強磁性層で構成される場合において、励起エネルギーＥがある値Ｘより小さくなる確率は、１−ｅｘｐ（−Ｘ）で与えられる。
ここで、ｅｘｐは指数関数である。上記［式１］より、ある電流Ｉを流した時に反転時間ｔｓで反転するために必要な励起エネルギーＥの値をＸとする。すると、ある電流Ｉを時間ｔｓだけ流した時に、確率１−ｅｘｐ（−Ｘ）で磁化反転が起きないことになる。すなわち、書き込みエラー率が１−ｅｘｐ（−Ｘ）となる。このように、励起エネルギーＥは書き込みエラー率と密接な関連がある。
【００４８】
本技術は、上記のような反転時間の発散を抑制するために、磁化固定層を、少なくとも２つ以上の強磁性層が結合層を介して積層した構成とする。隣接する２つの強磁性層は、間に挿入された結合層を介して磁気的に結合している。
このような本技術の構成によれば、磁化固定層を構成する強磁性層間の磁気的結合によって、磁化固定層の磁化の向きを膜面に垂直な方向から傾けることができ、記憶層及び磁化固定層のそれぞれの磁化の向きがほぼ平行又は反平行になることによる磁化反転に要する時間の発散を抑えることができる。
これにより、所定の有限の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことができる。
【００４９】
＜３．第１の実施の形態（具体的構成例１）＞
以下、本技術の具体的な実施の形態について説明する。
実施の形態としては、具体的な構成例として第１の構成例（第１の実施の形態）と第２の構成例（第２の実施の形態）を挙げる。
【００５０】
図５は、第１の実施の形態としての記憶素子３の概略構成図（断面図）を示している。
なお以下の説明において、既に説明済みとなった部分と同様となる部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００５１】
図５において、第１の実施の形態の記憶素子３は、下地層１１の上に、磁化固定層（参照層）１２、中間層１３（非磁性層：トンネル絶縁層）、磁化Ｍ１４の向きが可変とされた記憶層（自由磁化層）１４、及びキャップ層１５が同順に積層されている。
【００５２】
記憶層１４は、磁化容易軸が膜面に垂直な方向（この場合は図中上向き）であり、記憶層１４の磁化Ｍ１４は膜面に垂直な方向を向く。
ここまでは、図４に示した記憶素子３’の構成と同様である。
【００５３】
さらに、本実施の形態の記憶素子３では、磁化固定層１２が、複数の強磁性層と結合層を積層した多層膜で構成される。具体的に、この場合の磁化固定層１２は、図のように強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃからなる３層構造で構成されている。
このような構成では、強磁性層１２ａの磁化Ｍ１と強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２は結合層１２ｂを介して磁気的に結合している。結合層１２ｂには、Ｔａ，Ｒｕ等の非磁性の金属を使用することができる。
【００５４】
磁化固定層１２と記憶層１４との間の中間層１３には、トンネル絶縁膜を形成するための絶縁材料（各種酸化物等）、もしくは、磁気抵抗効果素子の磁性層の間に用いられる、非磁性の金属を使用することができる。
この中間層１３の材料として絶縁材料を用いると、前述したように、より高い読み出し信号（抵抗の変化率）が得られ、かつ、より低い電流によって記録が可能となる。
【００５５】
磁化固定層１２及び記憶層１４には、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭのＭＴＪにおいて使用されている、各種の磁性材料を使用することができる。
例えば、磁化固定層１２及び記憶層１４にＣｏＦｅ若しくはＣｏＦｅＢを使用することができる。
或いは、ＮｉＦｅ，ＴｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＴｂＦｅＣｏ，ＧｄＦｅＣｏ，ＣｏＰｄ，ＭｎＢｉ，ＭｎＧａ，ＰｔＭｎＳｂ，Ｃｏ−Ｃｒ系材料等を用いることができる。また、これらの材料以外の、磁性材料を使用することができる。
【００５６】
情報の読み出しは、磁気抵抗効果を用いて行われる。
すなわち、先に説明した情報の記録の場合と同様に、各層の膜面に垂直な方向（各層の積層方向）に電流を流す。そして、中間層１３を介して隣接する強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の相対角度によって、記憶素子の示す電気抵抗が変化する現象を利用する。
【００５７】
本例の磁化固定層１２の構成をさらに詳しく示したのが図６である。
具体的に、図６Ａは磁化固定層１２の斜視図、図６Ｂは磁化固定層１２の上面図である。ここでは簡単のため、結合層１２ｂは省略している。
【００５８】
本実施の形態の記憶素子３においては、磁化固定層１２の形状は円柱状とされる。ただし、楕円や矩形などその他の形状とすることもできる。ここで、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、φ１、φ２を定義する。
先ず、図６Ａの斜視図では、磁化固定層１２を垂直方向に貫く垂直軸ａＶを示している。この垂直軸ａＶは記憶層１４の磁化容易軸に一致する。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸がなす角度をθ２とする。
また図６Ｂの上面図には、強磁化層１２ａ、１２ｃの中心を通る基準線ａＨを示している。強磁化層１２ａ、１２ｃの断面形状が円形であるために、基準線ａＨの方向は任意に選べる。磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を膜面に投影したときに、基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１及びφ２とする。
【００５９】
前述したように、磁性体は磁化の向きに応じた磁気エネルギーを持つ。磁気エネルギーを記述するために以下の値を定義する。
すなわち、磁化Ｍ１が面内方向を向いているとき（θ１＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ１＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ１とする。
また、磁化Ｍ２が面内方向を向いているとき（θ２＝９０度）の磁気エネルギーから垂直方向を向いているとき（θ２＝０度）の磁気エネルギーを引いたエネルギー差をΔ２とする。
さらに、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さをΔｅｘとする。
Δ１、Δ２、Δｅｘの単位はジュール（Ｊ）であるが、前述の励起エネルギーＥ及び熱安定性の指標Δと同様に、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
【００６０】
従来の記憶素子３’においては、磁化固定層１２の磁化の向きは、記憶層１４の磁化容易軸方向に固定されていた（先の図４の磁化Ｍ１２を参照）。そのため、磁化固定層１２の磁化の向きと記憶層１４の磁化の向きが一致し、反転時間の増大を招いていたものである。
【００６１】
ところが、種々の検討を行った結果、図５に示したような本実施の形態に係る磁化固定層１２の構成によれば、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の角度が、記憶層１４の磁化容易軸、すなわち垂直軸ａＶに対して平行（０度）及び反平行（１８０度）以外の角度になり得ることが分かった。換言すれば、磁化Ｍ１，Ｍ２の向きが斜め方向になり得るものである。
このようなとき、磁化固定層１２の磁化Ｍ１２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の向きが有限の角度を持つために、スピントルクが０になることがなく、反転時間の増大が抑制されることが期待できる。
【００６２】
ここで、磁化の向きが斜めとなる条件について諸々の検討を行った結果、以下のことが明らかになった。
まず、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが０である場合、すなわち磁化Ｍ１と磁化Ｍ２がそれぞれ独立に運動する場合を考える。
定義より、Δ１が正のとき、磁化Ｍ１の磁化容易軸は膜面に垂直となり、磁化Ｍ１は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ１が負のとき、磁化Ｍ１の磁化容易軸は膜面内となり、磁化Ｍ１は膜面内を向く。このとき、強磁性層１２ａは垂直軸周りの回転に対して等方的であるので、φ１の値は任意である。
同様に、Δ２が正のとき、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面に垂直となり、磁化Ｍ２は膜面に垂直な方向を向く。逆に、Δ２が負のとき、磁化Ｍ２の磁化容易軸は膜面内となり、磁化Ｍ２は膜面内を向く。このとき、強磁性層１２ｃは垂直軸周りの回転に対して等方的であるので、φ２の値は任意である。
【００６３】
次に、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の磁気的結合エネルギーの強さΔｅｘが０以外であって、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２がそれぞれ結合して運動する、本技術本来の場合を考える。
定義より、Δｅｘが正のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の向きは平行になろうとする。逆に、Δｅｘが負のとき、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２の向きは反平行になろうとする。前者を強磁性結合、後者を反強磁性結合と呼ぶこともある。
以下では説明を簡単にするために、Δｅｘが正のときのみを考慮するが、同様の議論はΔｅｘが負の時にも成り立つ。
なお、Δｅｘが正のときには、φ１−φ２＝０となり、Δｅｘが負のときには、φ１−φ２＝１８０度となる。
【００６４】
Δ１及びΔ２がともに正であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は垂直軸に平行となる。これでは、図４にて説明した磁化固定層１２を有する記憶素子３’と同じであって、反転時間の増大は免れない。
【００６５】
一方、Δ１及びΔ２がともに負であれば、Δｅｘの大きさによらず、磁化角度は膜面内となる。このとき、φ２がどのような値をとっても、強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２と記憶層１４の磁化Ｍ１４の相対角度は一定の９０度となるため、磁気抵抗効果による抵抗の変化が起きず、情報を読み出すことができないので、ＳＴＴ−ＭＲＡＭを構成する記憶素子として用いることはできない。
【００６６】
以上のように、本技術に係る記憶素子においては、Δ１とΔ２の符号が異なっていなければならない。
【００６７】
このように、Δ１とΔ２の符号が異なっている場合には、片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面に対して垂直であり、もう片方の強磁性層の磁化は、その磁化容易軸が膜面内にある。そしてこれら互いに向きが競合する２つの磁化を、Δｅｘを通した結合によって、斜め方向に傾けることが可能となる。
【００６８】
ただし、Δｅｘには上限がある。仮にΔｅｘが無限大の大きさを持っていたとすると、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は平行でなければならず、Δ１とΔ２の大小関係に応じて、全体の磁化容易軸が膜面に対して垂直であるか膜面内であるかのどちらかとなる。Δｅｘが無限大とならずとも、ある一定の大きさ以上となれば、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は平行になってしまう。
【００６９】
そこで、Δｅｘの上限を求めるために、様々なΔ１、Δ２の組み合わせに対して、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が平行となる上限値Δｅｘｍａｘを計算した。
図７は、その結果の一例を示している。
図７においては、Δ２を−４０に固定し、Δ１を０から１００まで振った。白い丸が計算で求めたΔｅｘの上限値である。Δｅｘがこの値よりも小さければ、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２は斜め方向となることができる。ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性は、Δ１＋Δ２が０よりも小さいか大きいかで異なる。曲線Ｃ４１はΔ１＋Δ２が０よりも小さいときにおける、ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性である。一方、曲線Ｃ４２はΔ１＋Δ２が０よりも大きいときにおける、ΔｅｘｍａｘのΔ１依存性である。
【００７０】
これらの曲線にうまく適合する式を探索したところ、曲線Ｃ４１と曲線Ｃ４２はともに、
Δｅｘｍａｘ＝ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２）） ・・・［式２］
と書けることが分かった。ここで、ａｂｓは絶対値を返す関数である。今、Δｅｘが正のときのみを考えているが、同様の式はΔｅｘが負のときにも成り立つ。
結局のところ、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件は、上記［式２］より、
ａｂｓ（Δｅｘ）＜ａｂｓ（２×Δ１×Δ２／（Δ１＋Δ２）） ・・・［式３］
となる。
【００７１】
以上より、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２が斜め方向になるための条件が明らかとなった。この条件を満たすΔ１、Δ２、Δｅｘが与えられれば、記憶層１４の磁化容易軸に対して斜め方向に傾いた磁化を持つ磁化固定層１２を実現できる。
換言すれば、本実施の形態の磁化固定層１２は、Δ１とΔ２の符号が異なり且つ、上記［式３］の条件を満たすΔ１、Δ２、Δｅｘが与えられるように構成されているものである。
【００７２】
上記により説明した第１の実施の形態によれば、記憶装置のメモリセルを構成する各記憶素子３において、磁化固定層１２が強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃの積層構造となっている。
該積層構造とすることで、強磁性層１２ａの磁化Ｍ１及び強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２が膜面内に垂直な軸に対して傾いた方向とすることができる。
これによって、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２に対するスピントルクが働かなくなる現象を回避することができる。
すなわち、所定の有限の時間内で磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の向きを反転させて、情報を記録することが可能になる。
【００７３】
従って、本実施の形態によれば、所定の時間内に記憶層の磁化の向きを反転させて情報の書き込みを行うことが可能になることから、書き込みエラーを低減することができ、より短い時間で書き込み動作を行うことができる。
書き込みエラーを低減することができるので、書き込み動作の信頼性を向上できる。
また、より短い時間で書き込み動作を行うことができるので、動作の高速化を図ることができる。
すなわち、書き込み動作の信頼性が高く、高速に動作する記憶素子及び記憶装置を実現できる。
【００７４】
＜４．第２の実施の形態（具体的構成例２）＞
続いて、第２の実施の形態について説明する。
図８は、第２の実施の形態の記憶素子２０の概略構成図（断面図）である。
第２の実施の形態の記憶素子２０は、先の図５に示した第１の実施の形態の記憶素子３と比較して、磁化固定層１２が磁化固定層２１に変更された点が異なる。
この記憶素子２０の磁化固定層２１は、反強磁性層２１ｐ、強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃが同順で積層された４層構造で構成されている。
【００７５】
反強磁性層２１ｐは、磁化固定層２１の膜面内における磁化の向きを固定させるために設けられる。図中の方向ベクトルＭｐは、磁化を固定させる方向を示したものであり、その方向は膜面内にある。
【００７６】
前述のように、磁化Ｍ１と磁化Ｍ２との磁気的結合エネルギーの強さはΔｅｘとした。同様に磁化Ｍ１と反強磁性層２１ｐとの磁気的結合エネルギーの強さをΔｐｉｎとする。このΔｐｉｎについても、熱エネルギー（ボルツマン定数と絶対温度の積）で割った無次元量として扱う。
【００７７】
磁化固定層２１の構成をさらに詳しく示したのが図９である。図９Ａは磁化固定層２１の斜視図、図９Ｂは磁化固定層２１の上面図である。先の図６の場合と同様、ここでは簡単のため結合層１２ｂは省略している。
磁化固定層１２と同様、磁化固定層２１の形状は円柱状とされる。ただし、楕円や矩形などその他の形状とすることもできる。
【００７８】
ここで、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の方向を記述するために、以下のように角度θ１、θ２、φ１、φ２を定義する。図９Ａの斜視図において、磁化固定層２１を垂直方向に貫く垂直軸ａＶが示されている。この垂直軸ａＶは記憶層１４の磁化容易軸に一致する。磁化Ｍ１と垂直軸ａＶがなす角度をθ１、磁化Ｍ２と垂直軸ａＶがなす角度をθ２とする。
また、図９Ａ・図９Ｂにおいては、強磁性層２１ａ、２２ｃの中心を通る基準線ａＨが示されている。基準線ａＨは、方向ベクトルＭｐに一致するように選ぶ。そして、磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２を膜面に投影したときに、基準線ａＨとなす角をそれぞれφ１及びφ２とする。
【００７９】
先の第１の実施の形態においては、磁化固定層１２の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２は、垂直軸ａＶとの角度θ１、θ２が固定されていたが、垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２は固定されていなかった。
ここで、図９Ａの斜視図に示した環状の点線は、磁化Ｍ１およびＭ２の軌跡を示したものである。磁化Ｍ１およびＭ２は該点線上であれば、どの方向でも向くことができる。（ただし、Δｅｘが正のときには、φ１−φ２＝０、Δｅｘが負のときには、φ１−φ２＝１８０度の条件を満たす。）
【００８０】
そこで第２の実施の形態では、反強磁性層２１ｐによって磁化固定層２１の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２を固定する。
【００８１】
図９Ｂにおいて、垂直軸ａＶ周りの角度φ１、φ２は、磁化の固定方向を表す方向ベクトルＭｐを基準にする。そして、磁化Ｍ１は反強磁性層２１ｐによって方向ベクトルＭｐの方向に固定されるために、φ１＝０となる。磁化Ｍ２は結合層１２ｂを介して磁化Ｍ１と磁気的結合しているので、Δｅｘが正のときにはφ２＝０、Δｅｘが負のときにはφ２＝１８０度となる。
【００８２】
このように第２の実施の形態の記憶素子２０では、磁化固定層２１の磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度（膜面内の角度）をある方向に固定することが可能となる。
磁化Ｍ１及び磁化Ｍ２の垂直軸ａＶ周りの角度が固定されることで、反転電流の大きさを小とすることができる。すなわち、スピントルク磁化反転が生じるのに必要な閾値電流の値（［式１］におけるＩｃ０）を小とできるものである。
【００８３】
＜５．シミュレーション結果＞
上記により説明した各実施の形態の記憶素子（３及び２０）が奏する効果を明らかにすべくシミュレーションを行った。
図１０は、或る電流における励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係を示したものである。横軸は［式１］に従い、ｌｎ［（π／２）（Δ／Ｅ）1/2］とした。また、記憶層１４のΔは６０とした。
【００８４】
励起エネルギーＥは記憶素子に電流を流した時点における磁化方向から計算される値を用いる。磁化方向は熱揺らぎによって平衡状態からずれるが、励起エネルギーＥが大きいほど（図１０で言えば左側に行くほど）そのずれが大きいことを意味する。
【００８５】
従来の記憶素子３’においては、励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係は先の［式１］で表される。曲線Ｃ１は、従来の記憶素子３’についてのシミュレーション結果を示すものである。横軸が励起エネルギーＥの対数でスケールされるとき、曲線Ｃ１はほぼ直線となる。そして、励起エネルギーＥが大きいほど、短い時間で反転することが分かる。
【００８６】
今、電流の供給時間が２０ｎｓだとする。すると、曲線Ｃ１との交点は点Ｐ３となる。このときの横軸の値は約１１．５である。ここから励起エネルギーＥを求め、さらに書き込みエラー率を求めると、１．５×１０-8となる。
ランダムアクセスメモリで要求される書き込み回数は１０15回程度であるので、この書き込みエラー率は無視できる値ではない。別の電流の供給時間では、点Ｐ３の位置が変化して、それに応じて書き込みエラー率も変化する。
【００８７】
このように、従来の記憶素子３’では、電流の供給時間によって書き込みエラー率が変化し、電流の供給時間が短くなるほど書き込みエラー率は大きくなる。
【００８８】
一方、本技術の実施の形態に係る記憶素子を用いた場合の励起エネルギーＥと反転時間ｔｓの関係が曲線Ｃ２で示されている。
なお、この曲線Ｃ２については、第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた場合の計算例を示している。このとき、強磁性層１２ｃの磁化Ｍ２の向きが垂直軸よりも５度傾いているとした。
【００８９】
この曲線Ｃ２を参照すると、従来の記憶素子３’に対する曲線Ｃ１とは異なり、励起エネルギーＥが減少したときに、反転時間ｔｓの増加が約１０ｎｓで止まっていることが確認できる。これは、励起エネルギーＥが０（図１０の横軸では正の無限大）のときでも、磁化Ｍ２の向きが記憶層１４の磁化Ｍ１４の向き（垂直軸）から傾いているために、有限のスピントルクが働くためである。
【００９０】
図１０の曲線Ｃ２で示した計算例では、横軸の値が概ね５以上であれば、反転時間ｔｓは約１０ｎｓで一定である。このことは、電流を流した時点において、記憶層１４の磁化Ｍ１４がどのような向きにあっても、反転時間ｔｓが１０ｎｓを超えることがないことを意味している。
【００９１】
このように、実施の形態としての記憶素子は、電流を流した時点での磁化の向きに係わらず、反転時間ｔｓの上限（図１０の計算例においては１０ｎｓ）が決まる。そして、電流の供給時間をこの上限値以上にすれば、書き込みエラーを生ずることなく、書き込みを行うことができる。
この点からも、実施の形態の記憶素子によれば、書き込みエラーを生ずることなく、従来の記憶素子３’よりも短い時間での書き込み動作を実現可能であることが分かる。
【００９２】
なお図１０では第２の実施の形態の記憶素子２０を用いた場合のシミュレーション結果を示したが、第１の実施の形態の記憶素子３を用いた場合にも概ね同様の結果が得られる。
【００９３】
＜６．変形例＞
以上、本技術に係る実施の形態について説明したが、本技術は上記により例示した具体例に限定されるべきものではない。
例えばこれまでの説明では、記憶素子３，２０が有する磁化固定層１２の強磁性層、結合層の積層構造に関して、強磁性層１２ａ、結合層１２ｂ、強磁性層１２ｃの３層構造を適用する場合を例示したが、３層構造以外でも任意の層数の積層構造を適用することができる。
【００９４】
また、これまでの説明では、記憶素子全体の積層構造として、下層側から少なくとも磁化固定層１２（２１）、中間層１３、記憶層１４の順で配置された積層構造としたが、本技術の記憶素子としては、これら各層の順序を上下逆にした配置も可能である。
【００９５】
また、本技術に係る記憶素子３もしくは記憶素子２０の構造は、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子の構成となるが、このＴＭＲ素子としての磁気抵抗効果素子は、上述の記憶装置のみならず、磁気ヘッド及びこの磁気ヘッドを搭載したハードディスクドライブ、集積回路チップ、さらにはパーソナルコンピュータ、携帯端末、携帯電話、磁気センサ機器をはじめとする各種電子機器、電気機器等に適用することが可能である。
【００９６】
一例として図１１Ａ、図１１Ｂに、上記記憶素子３、２０の構造の磁気抵抗効果素子１０１を複合型磁気ヘッド１００に適用した例を示す。なお、図１１Ａは、複合型磁気ヘッド１００について、その内部構造が分かるように一部を切り欠いて示した斜視図であり、図１１Ｂは複合型磁気ヘッド１００の断面図である。
【００９７】
複合型磁気ヘッド１００は、ハードディスク装置等に用いられる磁気ヘッドであり、基板１２２上に、本技術に係る磁気抵抗効果型磁気ヘッドが形成されてなるとともに、当該磁気抵抗効果型磁気ヘッド上にインダクティブ型磁気ヘッドが積層形成されてなる。ここで、磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、再生用ヘッドとして動作するものであり、インダクティブ型磁気ヘッドは、記録用ヘッドとして動作する。すなわち、この複合型磁気ヘッド１００は、再生用ヘッドと記録用ヘッドを複合して構成されている。
【００９８】
複合型磁気ヘッド１００に搭載されている磁気抵抗効果型磁気ヘッドは、いわゆるシールド型ＭＲヘッドであり、基板１２２上に絶縁層１２３を介して形成された第１の磁気シールド１２５と、第１の磁気シールド１２５上に絶縁層１２３を介して形成された磁気抵抗効果素子１０１と、磁気抵抗効果素子１０１上に絶縁層１２３を介して形成された第２の磁気シールド１２７とを備えている。絶縁層１２３は、Ａｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等のような絶縁材料からなる。
第１の磁気シールド１２５は、磁気抵抗効果素子１０１の下層側を磁気的にシールドするためのものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。この第１の磁気シールド１２５上に、絶縁層１２３を介して磁気抵抗効果素子１０１が形成されている。
【００９９】
磁気抵抗効果素子１０１は、この磁気抵抗効果型磁気ヘッドにおいて、磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子として機能する。そして、この磁気抵抗効果素子１０１は、上述した記憶素子３もしくは記憶素子２０と同様な膜構成（層構造）とされる。
この磁気抵抗効果素子１０１は、略矩形状に形成されてなり、その一側面が磁気記録媒体対向面に露呈するようになされている。そして、この磁気抵抗効果素子１０１の両端にはバイアス層１２８，１２９が配されている。またバイアス層１２８，１２９と接続されている接続端子１３０，１３１が形成されている。接続端子１３０，１３１を介して磁気抵抗効果素子１０１にセンス電流が供給される。
さらにバイアス層１２８，１２９の上部には、絶縁層１２３を介して第２の磁気シールド層１２７が設けられている。
【０１００】
以上のような磁気抵抗効果型磁気ヘッドの上に積層形成されたインダクティブ型磁気ヘッドは、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２によって構成される磁気コアと、当該磁気コアを巻回するように形成された薄膜コイル１３３とを備えている。
上層コア１３２は、第２の磁気シールド１２２と共に閉磁路を形成して、このインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアとなるものであり、Ｎｉ−Ｆｅ等のような軟磁性材からなる。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２は、それらの前端部が磁気記録媒体対向面に露呈し、且つ、それらの後端部において第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が互いに接するように形成されている。ここで、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２の前端部は、磁気記録媒体対向面において、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２が所定の間隙ｇをもって離間するように形成されている。
すなわち、この複合型磁気ヘッド１００において、第２の磁気シールド１２７は、磁気抵抗効果素子１２６の上層側を磁気的にシールドするだけでなく、インダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアも兼ねており、第２の磁気シールド１２７と上層コア１３２によってインダクティブ型磁気ヘッドの磁気コアが構成されている。そして間隙ｇが、インダクティブ型磁気ヘッドの記録用磁気ギャップとなる。
【０１０１】
また、第２の磁気シールド１２７上には、絶縁層１２３に埋設された薄膜コイル１３３が形成されている。ここで、薄膜コイル１３３は、第２の磁気シールド１２７及び上層コア１３２からなる磁気コアを巻回するように形成されている。図示していないが、この薄膜コイル１３３の両端部は、外部に露呈するようになされ、薄膜コイル１３３の両端に形成された端子が、このインダクティブ型磁気ヘッドの外部接続用端子となる。すなわち、磁気記録媒体への磁気信号の記録時には、これらの外部接続用端子から薄膜コイル１３２に記録電流が供給されることとなる。
【０１０２】
以上のように本技術の記憶素子としての積層構造体は、磁気記録媒体についての再生用ヘッド、すなわち磁気記録媒体からの磁気信号を検出する感磁素子としての適用が可能である。
【０１０３】
また、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
記憶素子。
（２）
上記磁化固定層は、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
上記（１）に記載の記憶素子。
（３）
上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との磁気的結合エネルギーを層間磁気結合エネルギーとしたとき、
該層間磁気結合エネルギーの絶対値が、上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値を２倍したものの絶対値より小とされる
上記（２）に記載の記憶素子。
（４）
上記磁化固定層がさらに反強磁性層を有する上記（１）に記載の記憶素子。
（５）
上記磁化固定層は、
反強磁性層と第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
上記（４）に記載の記憶素子。
（６）
上記反強磁性層と上記第１の強磁性層の磁化が磁気的に結合して、上記第１の強磁性層の膜面内の磁化の向きが固定されている
上記（５）に記載の記憶素子。
（７）
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【符号の説明】
【０１０４】
１ ゲート電極、２ 素子分離層、３,２０ 記憶素子、４ コンタクト層、６ ビット線、７ ソース領域、８ ドレイン領域、９ 配線、１０ 半導体基体、１１ 下地層、１２,２１ 磁化固定層、１２ａ,１２ｃ 強磁性層、１２ｂ 結合層、１３ 中間層、１４ 記憶層、１５ キャップ層、２１ｐ 反強磁性層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
記憶素子。
【請求項２】
上記磁化固定層は、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との磁気的結合エネルギーを層間磁気結合エネルギーとしたとき、
該層間磁気結合エネルギーの絶対値が、上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値を２倍したものの絶対値より小とされる
請求項２に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記磁化固定層がさらに反強磁性層を有する請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記磁化固定層は、
反強磁性層と第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
請求項４に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記反強磁性層と上記第１の強磁性層の磁化が磁気的に結合して、上記第１の強磁性層の膜面内の磁化の向きが固定されている
請求項５に記載の記憶素子。
【請求項７】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【請求項１】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している
記憶素子。
【請求項２】
上記磁化固定層は、
第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
請求項１に記載の記憶素子。
【請求項３】
上記結合層を介した上記第１の強磁性層と上記第２の強磁性層との磁気的結合エネルギーを層間磁気結合エネルギーとしたとき、
該層間磁気結合エネルギーの絶対値が、上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの積を上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーとの和で割った値を２倍したものの絶対値より小とされる
請求項２に記載の記憶素子。
【請求項４】
上記磁化固定層がさらに反強磁性層を有する請求項１に記載の記憶素子。
【請求項５】
上記磁化固定層は、
反強磁性層と第１の強磁性層と結合層と第２の強磁性層とが同順で積層されて成り、
上記第１の強磁性層が有する磁気エネルギーであって、上記第１の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第１の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第１の磁気エネルギーとし、上記第２の強磁性層が有する磁気エネルギーであって上記第２の強磁性層の磁化が膜面内にあるときの磁気エネルギーから上記第２の強磁性層の磁化が膜面に垂直であるときの磁気エネルギーを引いた値として定義される磁気エネルギーを第２の磁気エネルギーとしたとき、
上記第１の磁気エネルギーと上記第２の磁気エネルギーの符号が異なっている
請求項４に記載の記憶素子。
【請求項６】
上記反強磁性層と上記第１の強磁性層の磁化が磁気的に結合して、上記第１の強磁性層の膜面内の磁化の向きが固定されている
請求項５に記載の記憶素子。
【請求項７】
情報に対応して磁化の向きが変化される記憶層と、
磁化の向きが固定された磁化固定層と、
上記記憶層と上記磁化固定層との間に配された非磁性体による中間層と
を少なくとも含む層構造を有し、該層構造の積層方向に電流を流すことにより上記記憶層の磁化方向が変化して情報の記録が行われると共に、
上記磁化固定層が、
２つの強磁性層が結合層を介して積層されて上記強磁性層が上記結合層を介して磁気的に結合されており、上記強磁性層の磁化の向きが膜面に垂直な方向から傾斜している記憶素子
を備えると共に、
上記記憶素子に対して上記積層方向に流れる電流を供給する配線部と、
上記配線部を介した上記記憶素子への上記電流の供給制御を行う電流供給制御部と
を備える記憶装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１３−１１５２９９（Ｐ２０１３−１１５２９９Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１５２０（Ｐ２０１１−２６１５２０）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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