添付図面を参照して、本発明に係る磁気� ��ンダムアクセスメモリを説明する。本発明� ��係る磁気ランダムアクセスメモリは、アレ� ��状に配置された複数の磁気メモリセルを有� ��ており、各磁気メモリセルは磁気抵抗効果� ��子を有している。

[第1実施形態]
(磁気メモリセルの構成)
 本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗効果素 子80の主要な部分の構造を表す斜視図を図1に 示す。また図1に示したx-y-z座標系におけるx-z 断面図を図2に示す。本発明の第1実施形態に� ��る磁気抵抗効果素子80は、x方向に延伸して� ��けられる第1強磁性層10と、第1強磁性層10に� ��接して設けられる絶縁層20と、絶縁層20に隣 接して第1強磁性層10とは反対側に設けられる 第2強磁性層30と、第1強磁性層10の両端付近に 磁気的に接して設けられる第3強磁性層15を具 備する。絶縁層20は、第1強磁性層10と第2強磁 性層30に挟まれており、これら第1強磁性層10� ��絶縁層20、第2強磁性層30によって磁気トン� �ル接合(MTJ)が形成されている。

 第1強磁性層10、第2強磁性層30、及び第3強 磁性層15は強磁性体により構成される。図2に は第1強磁性層10、第2強磁性層30、及び第3強� �性層15の磁気異方性の向きが矢印で示されて いる。図に示されているように、第1強磁性� �10、第2強磁性層30、及び第3強磁性層15の磁気 異方性はいずれも図中のz軸に略平行方向を� �くように設計される。このような磁気異方� �を実現させるために、第1強磁性層10、第2強� ��性層30、及び第3強磁性層15は垂直磁気異方� �を有する材料、または積層膜により形成さ� �ることが好ましい。この場合の積層膜とは� �強磁性体同士の積層膜でもよいし、強磁性� �と非磁性体からなる積層膜でもよい。

 第2強磁性層30の磁化は実質的にz軸に略平 行方向で一方向に固定される。一方第1強磁� �層10のうちの、少なくともx-y面内において第 2強磁性層30とオーバーラップする部分の磁化 は第2強磁性層30の磁化に対して平行、もしく は反平行のいずれかの方向を向く。また第3� �磁性層15は第1強磁性層10の両端付近に磁気的 に接続して、好適には二つ設けられる。第3� �磁性層15の磁化方向は図のz軸方向に略平行� �向でかつ互いに反平行方向を向く。第1強磁� ��層10、及び第3強磁性層15が上述のような磁� �配置にあるとき、第1強磁性層10のうちの第2� ��磁性層30とx-y面内でオーバーラップする領� �の磁化方向に応じて、第1強磁性層10内には� �壁が形成される。

 また絶縁層20は絶縁体から構成されるこ� �が望ましいが、非磁性の導体や半導体によ� �構成されても構わない。また図1、2において 第1強磁性層10の両端部、及び第2強磁性層30は 、外部の異なる配線に接続される。ここで第 1強磁性層10の両端部は第3強磁性層15を通って 外部の配線に接続される。このように当該磁 気抵抗効果素子80は3端子の素子となる。また 図1、2には示されていないが、この他に配線� ��のコンタクトのための電極層を第2強磁性層 30、及び第3強磁性層15に隣接させて設けるこ� ��が望ましい。

(初期化方法)
 次に本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗効 果素子80の初期化方法について図3Aから図3C、 および図4Aから図4Cを用いて説明する。当該� �気抵抗効果素子80では、第1強磁性層10に磁壁 を導入する必要があり、図3Aから図3C、およ� �図4Aから図4Cはその過程を示している。なお� ��図3Aから図3C、および図4Aから図4Cでは第1強� ��性層10と第3強磁性層15のみが示されている� �

 第1強磁性層10に磁壁を導入するためには� ��はじめに磁気抵抗効果素子80に一様かつ十� �大きな外部磁界を図のx軸に略平行方向(磁気 抵抗効果素子80を構成する膜の膜面に平行な� ��向)に印加する。このとき図3Aに示されるよ� ��に、全ての磁気モーメントが外部磁界方向� ��揃い飽和した状態となる。次にこの状態か� ��外部磁界をz軸方向の成分を付加することに よって立ち下げる。この立ち下げのスピード は適度に遅いことが望ましい。このとき磁化 の緩和が始まり、第1強磁性層10、第3強磁性� �15はいずれもz軸方向の磁気異方性を有する� �め、はじめに図3Bに示されるように第1強磁� �層10のうちの第3強磁性層15との接続面付近の 磁化が第3強磁性層15の磁化と緩やかに繋がる ようにz軸方向に回転を始める。この回転を� �めた磁化は膜面垂直方向の磁化を有する磁� �を形成し、この磁区が第1強磁性層10の中で� �長する。ここで、図3Bに示されるように、第 1強磁性層10の中で成長する二つの磁区は互い に反平行方向の磁化を有する。従って、図3C� ��示されるように、二つの磁区が成長して出� ��ったとき、そこに磁壁が形成される。以上� ��本発明の第1実施形態における磁気抵抗効果 素子80の第1の初期化過程である。

 第1の初期化過程によって第1強磁性層10に 導入された磁壁は、図4Aから図4Cに示される� �うな第2の初期化過程によって所望の位置に� ��動される。図4Aは第1の初期化過程が終了し� ��時点での磁化状態の例である。図4Aの状態� �おいて例えば+z方向に磁界を印加する。この 磁界は適度に小さいことが望ましい。このと き図4Aにおいて第1強磁性層10の中央付近に形� ��されていた磁壁は図4Bのように右側に移動� �る。また図4Aの状態において例えば-z方向に� ��界を印加する。このとき図4Aにおいて第1強� ��性層10の中央付近に形成されていた磁壁は� �4Cのように左側に移動する。図4Bと図4Cは異� �るメモリ状態に対応しており、このように� �4Aのような状態において小さな外部磁界を印 加することにより任意のメモリ状態への初期 化が可能である。なお、ここでは第2の初期� �過程でz軸方向の磁界を用いる例を示したが� ��この磁界としてはx-y成分を有していてもよ� ��。この他、磁界を用いることなく、後に図5 Aと図5Bを用いて説明されるように、書き込み のための電流を導入することによってメモリ 状態を初期化してもよい。

(書き込み方法)
 次に本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗効 果素子80への情報の書き込み方法について図5 Aと図5Bを用いて説明する。図5A、図5Bには当� �磁気抵抗効果素子80における異なるメモリ状 態(“0”状態と“1”状態)での磁化状態がx-z� �面で模式的に示されている。図に示されて� �るように、“0”状態では第1強磁性層10の中� ��部が紙面上向きに(図5A)、“1”状態は第1強� ��性層10の中央部が紙面下向きに(図5B)磁化し� ��いるものと定義する。ただし、磁化方向と� ��モリ状態に関する定義が上述の限りでない� ��とは言うまでもない。

 今、上述のような磁化状態のとき、“0” 状態では磁壁は第1強磁性層10の右側に、“1� �状態では磁壁は第1強磁性層10の左側に形成� �れる。本発明では第1強磁性層10を流れる電� �の符号を変えることにより、前記磁壁を第1� ��磁性層10内で移動させて書き分けることを� �徴とする。例えば図5Aの“0”状態において� �x軸の正の方向に電流を流し、紙面の右から� ��に伝導電子が流れる場合、第1強磁性層10の� ��側にあった磁壁は、伝導電子によるスピン� ��ランスファートルクを受け、伝導電子と同� ��方向に移動し、第1強磁性層10の左側に至る� ��また図5Bの“1”状態において、x軸の負の方 向に電流を流し、紙面の左から右に伝導電子 が流れる場合、第1強磁性層10の左側にあった 磁壁は、伝導電子によるスピントランスファ ートルクを受け、伝導電子と同じ方向に移動 し、第1強磁性層10の右側に至る。このように して“0”状態から“1”状態へ、及び“1”状 態から“0”状態への書き込みができる。

 また例えば図5Aに示された“0”状態にお� ��てx軸の負の方向に電流を流した場合、つま り“0”を書き込んだ場合、磁壁はx軸の正の� ��向に移動しようとするが、図5Aで示されて� �る磁壁の位置よりも右側では電流密度が低� �するため、この磁壁移動は起こらない。す� �わち、オーバーライトが可能であると言え� �。或いは、第3強磁性層15の磁化が十分にハ� �ドであり、第1強磁性層10において磁壁移動� �より紙面上向きに磁化反転を起こしても、� �流が切られたときに再び元の状態、すなわ� �紙面下向きを向く状態に回復するように設� �すれば、上述のようなオーバーライトは可� �となる。この回復の手段としては、第3強磁� ��層15との磁気的相互作用が利用でき、また� �1強磁性層10と第3強磁性層15の位置関係、大� �関係によってもコントロールできる。

 本実施形態では、情報の書き込みの際に� ��壁移動が起こる層が垂直方向に磁気異方性� ��有することが特徴である。スピントランス� ��ァートルクを考慮に入れたLLG方程式を用い� ��マイクロマグネティクス計算から、垂直磁� ��異方性を有する材料で形成される磁壁は面� ��磁気異方性を有する材料で形成される磁壁� ��比べると、電流で駆動する場合に必要とな� ��電流密度は十分小さく、一方磁界で駆動す� ��場合に必要となる磁界は十分大きくなるこ� ��がわかった。

 スピントランスファートルクを考慮に入れ� ��LLG方程式は、例えば以下の文献に記載され� ��いる。
 A. Thiaville, et al., “Micromagnetic understanding� �of current-driven domain wall motion in patterned na nowires,” Europhysics Letters, 23 February 2005 (pub lished online), vol. 69, Number 6, pp.990-996.
 この文献によれば、左辺を磁化の時間変化( ∂m/∂t)としたとき、右辺は[1]磁界によるト� �クを表す項、[2]ダンピング項、[3]断熱スピ� �トルク項、[4]非断熱スピントルク項により� �成される。ここでマイクロマグネティクス� �算から垂直磁気異方性を有する材料で形成� �れる磁壁は1×10 ⁸ [A/cm ² ]程度の電流密度においても[3]の断熱スピン� �ルク項により駆動され、一方で面内磁化膜� �場合には1×10 ⁸ [A/cm ² ]程度の電流密度では[4]の非断熱スピントル� �項がなければ磁壁は駆動されないことがわ� �った。ここで[3]の断熱スピントルク項によ� �磁壁駆動の場合、過度に大きくないピニン� �のときには、ピニング磁界に依存せずに磁� �はピンサイトからデピンできることが知ら� �ている。

 従って、[3]の断熱スピントルク項での磁� ��駆動が不可能な面内磁気異方性を有する材� ��に比べて、[3]の断熱スピントルク項での磁� ��移動が可能な垂直磁気異方性を有する材料� ��、強い磁壁のピニングと低電流密度による� ��壁駆動を両立させ易いことがわかる。すな� ��ち垂直磁気異方性を有する材料を用いるこ� ��により、熱安定性として十分な値を保った� ��で書き込みに要する電流を低減することが� ��能であることがわかる。

 これに加えて垂直磁気異方性を有する材料� ��形成される磁壁を駆動するために必要な電� ��密度は、細線の膜厚が薄くなるほど小さく� ��ることがマイクロマグネティクス計算から� ��かった。図6はこの計算結果を示している。 図の縦軸は十分大きな閾値磁界を有するピン サイトによってピニングされた磁壁がピンサ イトからデピンするのに必要な電流密度を意 味している。左側の縦軸で示されているuは� �効的なスピン偏極電流密度を意味しており� �以下の[数1]で表される。
[数1]
 また右側の縦軸にはM _S =500[emu/cm ³ ]、P=0.5とした場合の電流密度jの値が示され� �いる。一般的に1×10 ⁸ [A/cm ² ]以上の電流密度を用いる場合、エレクトロ� �マイグレーション等の影響が顕在化するた� �、素子への適用は現実的ではない。図6を見� ��と膜厚が20nm以下のときデピンに要する電流 密度は1×10 ⁸ [A/cm ² ]以下になっていることから、垂直磁化膜を� �いた磁壁移動型MRAMを製造する上では、第1強 磁性層10の膜厚の上限は20nmと言える。

 また書き込み電流密度が大きい場合には、� ��レクトロンマイグレーションの他にも発熱� ��影響等も懸念される。図7は磁性材料に電流 を印加したときの温度上昇を抵抗の上昇を測 定することで見積もった結果である。MRAMに� �き込みを行う際の温度上昇は、動作保障温� �、MTJの信頼性や素子の寿命を考慮すると、12 0℃以下、より好適には60℃以下であることが 望ましい。図6を見ると温度上昇が120℃、及� �60℃となるのはそれぞれ電流密度が約0.7×10 ⁸ [A/cm ² ]、0.6×10 ⁸ [A/cm ² ]のときである。このような電流密度での磁� �のデピンが可能な膜厚範囲は、図6からそれ� ��れ10nm、8nm以下であることがわかる。すなわ ち、第1強磁性層10の膜厚は好適には10nm以下� �より好適には8nm以下であることが好ましい� �

 また第1強磁性層10の膜厚の下限は約1nmで� ��る。これは膜厚が約1nm以下になると室温で� ��安定な垂直磁化を維持できなくなることに� ��る(Applied Physics Letters, vol. 90, pp. 132507,(20 07)参照)。

(読み出し方法)
 次に本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗効 果素子80からの情報の読み出しについて図8A� �図8Bを用いて説明する。これまでに述べたよ うに、本実施形態では第1強磁性層10の磁化方 向で情報を記憶し、また第1強磁性層10の中央 部は絶縁層20を介して第2強磁性層30に接続さ� ��る。本発明に係る磁気抵抗効果素子80では� �報の読み出しに磁気抵抗効果を利用する。� �なわち、図8Aと図8Bの場合、第1強磁性層10と� ��第1強磁性層10に絶縁層20を介して接続され� �第2強磁性層30の間で電流を流すことにより� �モリ状態を読み出すことができる。例えば� �8Aのように第1強磁性層10の中央部の磁化の向 きと第2強磁性層30の磁化の向きが平行のとき には低抵抗状態が実現される。一方図8Bのよ� ��に第1強磁性層10の中央部の磁化の向きと第2 強磁性層30の磁化の向きが反平行のときには� ��抵抗状態が実現される。

(効果)
 本実施形態によれば、熱安定性、外乱磁界� ��性に優れ、且つ書き込みに要する電流が低� ��され、さらにスケーリング性に優れた磁気� ��ンダムアクセスメモリを容易な製造プロセ� ��で提供することができる。これは、第1強磁 性層10の磁化方向が垂直方向を向き、且つそ� ��膜厚が低減され、さらに第1強磁性層10に隣� ��して、膜面垂直方向に磁気異方性を有する� ��3強磁性層15が設けられることに因っている� ��ここでは、面内磁化膜を用いた磁壁移動で� ��き込みを行う磁気ランダムアクセスメモリ� ��、垂直磁化膜を用いた磁壁移動で書き込み� ��行う磁気ランダムアクセスメモリでの素子� ��特性について概算して比較した結果を示す� ��

 面内磁化膜を用いた磁壁移動素子において� ��素子幅(w)を100nm、膜厚(t)を10nm、磁壁のピン� ��イトの幅の半分(q ₀ )を40nmとし、また飽和磁化(M _S )を800[emu/cm ³ ]、スピン分極率(P)を0.7、磁壁のピンサイト� �閾値磁界(H _C )を50[Oe]とする。一方、垂直磁化膜を用いた� �壁移動素子では、素子幅(w)を100nm、膜厚(t)を 2nm、磁壁のピンサイトの幅の半分(q ₀ )を15nmとし、また飽和磁化(M _S )を500[emu/cm ³ ]、スピン分極率(P)を0.5、磁壁のピンサイト� �閾値磁界(H _C )を1000[Oe]とする。なお、ピンサイトの幅につ いてはマイクロマグネティックシミュレーシ ョンを用いて求めた値である。

 上述のような値を仮定した場合、まず系の� ��ネルギーバリアの大きさ(δE)はM _S H _C q ₀ wtで概算できる。結果として系の熱安定性指� ��となるδE/k _B Tは面内磁化膜、垂直磁化膜ともに40となる。 ここでk _B はボルツマン定数でTは絶対温度である。

 また膜厚が10nmで閾値磁界が50Oeの面内磁化� �のデピン電流密度は、マイクロマグネティ� �クシミュレーションによればu=300[m/s]程度と� ��り、これは約6×10 ⁸ [A/cm ² ]に相当する。本来このような電流密度は発� �やエレクトロンマイグレーション効果の観� �から素子に通ずることは非現実的ではある� �、ここでは比較のためにこの値を用いる。� �のとき、面内磁化膜での素子への書き込み� �流は6[mA]となる。

 一方垂直磁化膜で膜厚を2nm、閾値磁界を1000 [Oe]とした場合のデピン電流密度は、図6よりu =10[m/s]程度と読み取ることができ、これは、� ��2×10 ⁷ [A/cm ² ]に相当する。このとき素子への書き込み電� �は0.04[mA]となる。このように、垂直磁化膜を 第1強磁性層10に用いることによって、書き込 み電流の大幅な低減が実現されることがわか る。

 なお、ここで用いたパラメータはあくまで� ��目安であり、他の値を用いることもできる� ��従って、書き込みに要する電流値や、熱安� ��性δE/k _B Tもそれに応じて変化するが、電流値と熱安� �性は概ね連動して変化するため、上述のよ� �な面内磁化膜と垂直磁化膜での書き込み電� �の大小関係が大幅に覆ることはない。

 また、通常MRAMを製造する上では、磁気シ ールド等を具備する必要があるが、垂直磁化 膜を用いた場合には、磁気シールドを省略す ることができ、これによって低コスト化がも たらされる。これは、一般的な垂直磁化膜は 結晶磁気異方性が十分大きいため、外乱磁界 に対する耐性が面内磁化膜に比べて極めて大 きいためである。

 また膜厚の低減で、書き込みに必要な電� ��密度は減少するため、膜厚を薄くすること� ��発熱の影響を軽減でき、動作保障温度範囲� ��広げることができる上、素子の寿命、信頼� ��も飛躍的に向上する。

 さらに本実施形態によれば、第3強磁性層 15を第1強磁性層10の両端部に隣接して設ける� ��とによって、第1強磁性層10に容易に磁壁を� ��入することができる。第1強磁性層10の両端� ��に接続される複数の第3強磁性層15の材料特� ��は均一でよいため、インテグレーションプ� ��セスにおいて同時に作製することができ、� ��れによって工程数が低減され、製造コスト� ��低減される。

(回路構成、レイアウト)
 次に本発明の第1実施形態に係る磁気メモリ セル90の回路構成、及びレイアウト方法につ� ��て図9、図10、及び図11を用いて説明する。

 図9は本発明に係る磁気メモリセル90の1ビ ット分の回路の構成例を示している。本発明 では磁気抵抗効果素子80は3端子の素子となる ことを述べたが、そのうちの第2強磁性層30に 接続される端子は読み出しのためのグラウン ド線101に接続され、一方第3強磁性層15に接続 される2つの端子は、異なる二つのトランジ� �タ100a、100bの一方のソース/ドレインに接続� �れる。またトランジスタ100a、100bの他方のソ ース/ドレインは書き込みのためのビット線10 2a、102bに接続され、またゲート電極はワード 線103に接続される。さらに図9に示した磁気� �モリセル90はアレイ状に配置され、周辺回路 へと接続され、磁気ランダムアクセスメモリ が形成される。

 次に図9に示された回路での書き込み、読み 出し方法について説明する。まず書き込みを 行う場合には、ワード線103を“high”にし、� �ランジスタ100a、100bを“ON”にする。またビ� ��ト線102a、102bのいずれか一方を“high”にし� ��他方を“ground”とする。ビット線102aのどち らを“high”にし、どちらを“ground”にする� �で第1強磁性層10を流れる電流の方向が変わ� �ため、磁気抵抗効果素子80への情報の書き込 みが可能となる。

 また、読み出しの際には、ワード線103を� ��high”にし、トランジスタ100a、100bを“ON”� �する。またビット線102a、102bのいずれか一方 を“high”にし、他方を“open”とする。この� ��きビット線102a、102bのいずれか一方から磁� �抵抗効果素子80を貫通する電流がグラウンド 線101へと流れるため、磁気抵抗効果による高 速での読み出しが可能となる。ただし、図9� �示された回路、及びここで述べられた回路� �設定は本発明を実施する方法の一例に過ぎ� �、他の回路構成による実施も可能である。

 図9に示されたような回路により構成され る磁気メモリセル90は図10、図11に示されるよ うにしてレイアウトが可能である。図10は磁� ��メモリセル90のレイアウト方法の例を示すx- y平面図であり、図11は図10におけるA-B間のx,y- z断面図である。ただし、ここで示されてい� �のは一例に過ぎず、他のレイアウト方法を� �いても磁気メモリセルを製造することは可� �である。例えば図10、図11ではトランジスタ1 00a、100bはy方向に沿って設けられているが、� ��れはx方向に沿って設けられても良い。この 場合にはワード線103はトランジスタのゲート 電極と接続されるように突起が形成されるこ とが望ましい。

(材料)
 ここでは各層の材料について例示する。な� ��、ここで示される材料は全て例であり、実� ��には図2に示されるような磁化状態が実現で きればいかなる材料を用いてもよい。

 まず第1強磁性層10、第2強磁性層30、及び� ��3強磁性層15の材料はFe、Co、Niのうちから選� ��される少なくとも一つの材料を含むことが� ��ましい。さらにPtやPdを含むことで垂直磁気 異方性を安定化することができる。これに加 えて、B、C、N、O、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Mn、Cu 、Zn、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Ag、Hf、Ta、W、Re� ��Os、Ir、Au、Smなどを添加することによって� �望の磁気特性が発現されるように調整する� �とができる。具体的にはCo、Co-Pt、Co-Pd、Co-Cr 、Co-Pt-Cr、Co-Cr-Ta、Co-Cr-B、Co-Cr-Pt-B、Co-Cr-Ta-B� �Co-V、Co-Mo、Co-W、Co-Ti、Co-Ru、Co-Rh、Fe-Pt、Fe-Pd 、Fe-Co-Pt、Fe-Co-Pd、Sm-Co、Gd-Fe-Co、Tb-Fe-Co、Gd-Tb -Fe-Coなどが例示される。この他、Fe、Co、Niの うちから選択されるいずれか一つの材料を含 む層が、異なる層と積層されることにより垂 直方向の磁気異方性を発現させることもでき る。具体的にはCo/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Auの積層� ��などが例示される。

 また絶縁層20は絶縁体から構成されるこ� �が望ましい。具体的にはMg-O、Al-O、Al-N、Ni-O� ��Hf-Oなどが例示される。ただし、この他に半 導体や金属材料を用いても本発明は実施でき る。具体的にはCr、Al、Cu、Znなどが例示され� ��。

(第1の変形例)
 図12Aと図12Bは本発明の第1実施形態に係る磁 気抵抗効果素子80の第1の変形例の構造を模式 的に示している。第1の変形例では、第1強磁� ��層10の中に磁壁のピンサイト12が形成される 。

 磁壁を強く拘束するためには、図12Aに示� ��れるように、x-y面内での平面形状の変調が� ��用できる。図12Aはノッチをパターニングし� ��実施形態であるが、この他突起等を設けて� ��よい。また図では細線の両側にノッチが設� ��られているが、これは片側でも構わない。

 また図12Bに示されるように、x-z断面での� ��面形状の変調によって実施することもでき� ��。図12Bでは二つの実施形態が示されている� ��上段のように磁壁のピンサイト12となる部� �のみが他の部分に対して段差を持っていて� �よい。下段のように第1強磁性層10の両端部� �全体が中央部に対して段差を持っていても� �い。

 この他、図示はされていないが、磁壁の� ��ンサイト12の材料特性を第1強磁性層10に対� �て局所的に変化させることによっても磁壁� �拘束することができる。このような材料特� �の変化は、異なる材料を用いることによっ� �実施することもできるし、異元素を注入す� �、あるいは欠陥等を導入することによって� �実施することができる。

(第2の変形例)
 図13Aから図13Dは本発明の第1実施形態に係る 磁気抵抗効果素子80の第2の変形例の構造を模 式的に示している。第2の変形例は、第1強磁� ��層10の形状に関し、これによって安定した2� ��状態が実現される。

 垂直磁化膜の場合、第1強磁性層10のうち� ��第3強磁性層15との接点付近から離れた位置� ��磁壁が停止する状態がさして不安定にはな� ��ない。このような状態は“0”と“1”の中� �の状態であり、回避しなければならない。� �ころで磁壁は、系全体のエネルギーを下げ� �ために、その面積がなるべく小さくなる方� �に動こうとする。従って、第1強磁性層10の� �央付近が他の部分よりも幅が広ければ、そ� �は不安定となるため、上述のような中間状� �は回避できる。図13Aから図13Dに示された模� �図はいずれもこの概念に基づいている。加� �て、図13Dのように第1強磁性層10が両端に行� �に従って広くなるように形成することによ� �、所定の位置での磁壁をより安定化するこ� �ができる。

 なお、図13Aから図13Dでは平面形状を変調� ��せる例が示されているが、この他に中央部� ��膜厚を厚くするなど断面形状の変調によっ� ��中間状態を効果的に回避することもできる� ��

(第3の変形例)
 図14Aと図14B、および図15Aから図15Dは本発明� ��第1実施形態に係る磁気抵抗効果素子80の第3 の変形例の構造を模式的に示している。第3� �変形例は、第1強磁性層10と第3強磁性層15の� �置関係、及び大小関係に関する。

 本発明の実施形態に係る磁気抵抗効果素� ��80では、第1強磁性層10の長手方向の両端付� �に第3強磁性層が磁気的に接している。この� ��件が成立していれば、第1強磁性層10と第3強 磁性層15の位置関係と大小関係は任意である� ��

 例えば図14Aに示されるように第3強磁性層 15は第1強磁性層10に対してx軸方向で外側には み出すようにして設けられてもよい。また図 14Bに示されるように第1強磁性層10が第3強磁� �層15に対して外側にはみ出すように設けられ てもよい。また図15Aに示されるように第3強� �性層15は第1強磁性層10に対して同じ幅で設け られてもよい。図15Bに示されるように第1強� �性層10よりも細く設けられてもよい。あるい は図15Cに示されるように第1強磁性層10よりも 大きく設けられてもよい。さらには図15Dに示 されるように第3強磁性層15は第1強磁性層10の 各両端付近において二つ以上設けられてもよ い。第1強磁性層10と第3強磁性層15の位置関係 、大小関係を適当に調整することによって、 実現される磁化状態やピンポテンシャルの強 さをコントロールすることができる。

(第4の変形例)
 図16Aと図16Bは本発明の第1実施形態に係る磁 気抵抗効果素子80の第4の変形例の構造を模式 的に示している。第4の変形例は、第3強磁性� ��15の断面形状に関する。

 第3強磁性層15のx-z断面での断面形状は任� ��である。例えば図16Aに示されるように平行� ��辺形の断面形状を有していてもよい。また� ��図16Bに示されるように台形の断面形状を有� ��ていてもよい。また図16Bでは台形状の第3強 磁性層15の上底は下底よりも長く描かれてい� ��。この図と反対に、下底の方が長くてもよ� ��。同様に図16Aの平行四辺形の側面は第1強磁 性体10に向って内側に傾くような傾斜を有し� ��いる。この図と反対に、外側に傾斜してい� ��もよい。

 第3強磁性層15の断面形状を適切に調整す� ��ことによって、実現される磁化状態やピン� ��テンシャルの強さをコントロールすること� ��できる。また図3Aから図3Cに示される初期化 過程をより安定化することができる。

(第5の変形例)
 図17は本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第5の変形例の構造を模式的に示� ��ている。第5の変形例は第1強磁性層10の断面 形状に関する。第1強磁性層10の断面形状は任 意である。但し、図17に示されるように台形� ��の断面形状を有し、x-z断面で形成される台� ��において、第3強磁性層15側の辺が第3強磁性 層15とは反対側の辺よりも長く設計されるこ� ��が好ましい。これは、図17のような台形状� �断面形状を有している場合には、図3Aから図 3Cで示される第1の初期化過程がより容易に進 行するためである。

 第1強磁性層10の断面形状は製造プロセス� ��適宜調整することによりコントロールでき� ��。例えばイオンビームミリングでパターニ� ��グする場合、イオンビームの入射角度を調� ��することにより、台形の断面形状を実現す� ��ためのテーパー状の加工が可能である。

(第6の変形例)
 図18Aと図18Bは本発明の第1実施形態に係る磁 気抵抗効果素子80の第6の変形例の構造を模式 的に示している。第6の変形例では第1強磁性� ��10と第3強磁性層15の間に導電層116が設けら� �る。

 導電層116は強磁性体により構成されても� ��いし、非磁性体により構成されてもよい。� ��た導電層116は図18Aに示されるように第3強磁 性層15に接する部分のみに設けられてもよい� ��、図18Bに示されるように第1強磁性層10の一� ��の全体を覆うように隣接して設けられても� ��い。

 導電層116を設けることによって、第1強磁 性層10と第3強磁性層15の磁気結合の大きさを� ��整することができる。これによって実現さ� ��る磁化状態やピンポテンシャルの強さをコ� ��トロールすることができる。また図3Aから� �3Cに示される初期化過程を制御することがで きる。

 加えて、導電層116は第1強磁性層10の下地� ��の役割を兼ねることができる。これによっ� ��第1強磁性層10の磁気特性を調整することが� ��きる。さらには第3強磁性層15のキャップ層� ��役割を兼ねることもできる。これによって� ��造プロセスが容易になる。

 導電層116の材料としては様々なものを用� ��ることができる。例えばRuなどのRKKY相互作� ��を示す材料を用いることによって第1強磁性 層10と第3強磁性層15をRKKY相互作用で磁気結合 させることができる。また極薄のTaなどの非� ��性体を用いることもできる。またJournal of  Magnetism and Magnetic Materials, vol.247, pp.153-158,( 2002)によれば、垂直磁気異方性材料では、そ� ��下地となる層の選択によって、磁性層の垂� ��方向の磁気特性が大きく変化し、その中でC o-Cr-Pt-Taが垂直磁気異方性材料の下地層とし� �好適であることが記されている。Co-Cr-Pt-Taは 磁気モーメントを有するため第1強磁性層10と 第3強磁性層15を磁気的に強く結合させること ができる上、第1強磁性層10の下地層として第 1強磁性層10の特性を向上させることもできる 。この他、Ni-Fe、Co-Feなどの一般的な強磁性� �を用いてもよい。

 また図18Aと図18Bにおける導電層116として� ��ピン偏極率の高い強磁性体を用いることに� ��り、書き込みに要する電流密度を低減する� ��とができる。これは磁壁駆動に必要な電流� ��度は、伝導電子のスピン偏極率が高いほど� ��さくなり、伝導電子のスピン偏極率は、伝� ��電子の流れる強磁性体のスピン偏極率が高� ��ほど高くなるためである。

(第7の変形例)
 図19は本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第7の変形例の構造を模式的に示� ��ている。第7の変形例では第3強磁性層15の第 1強磁性層10と隣接しない面の少なくとも一部 分に隣接してピニング層40が設けられる。

 ピニング層40は第3強磁性層15の磁化方向� �一方向に固定する。そのためにピニング層40 の材料としては永久磁石材料や反強磁性層材 料が望ましい。具体的にはPt-Mn、Ir-Mn、Fe-Mn、 Ni-Mn、Mn-Rhなどが例示される。

 第3強磁性層15に隣接してピニング層40を� �けることによって第3強磁性層15の磁化を安� �化することができ、書き込みエラーなどを� �避することができる。また磁化状態やピン� �テンシャルの強さをコントロールすること� �できる。

(第8の変形例)
 図20は本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第8の変形例の構造を模式的に示� ��ている。第8の変形例は、絶縁層20と第1強磁 性層10との界面、或いは第2強磁性層30との界� ��のうちの少なくとも一部分に高分極層70ま� �は高分極層71が挿入されることを特徴とする 。

 本実施形態では情報の読み出しに磁気抵� ��効果を利用する。このとき情報記憶層とな� ��第1強磁性層10と参照層となる第2強磁性層30� ��スピン分極率が高いほど、高い磁気抵抗効� ��比が発現され、大きな読み出し信号が得ら� ��る。本変形例では絶縁層20の界面に高分極� �70または高分極層71を挿入することにより、� ��気抵抗効果に影響を及ぼす第1強磁性層10、� ��び第2強磁性層30の見かけ上のスピン分極率� ��増大させることができ、結果として高い磁� ��抵抗効果比を得ることができる。

 なお、高分極層70または高分極層71の材料 は垂直磁気異方性を有する材料を用いてもよ い。しかし、膜面方向の磁気異方性を有する 材料であっても、その膜厚が十分に薄ければ 第2強磁性層30や第1強磁性層10との磁気的な相 互作用により膜面垂直方向に磁化させること ができ、系の磁化状態は乱されない。具体的 に用いる材料としては、Co、Fe、Co-Feなどが例 示される。さらに、これらの材料にその他の 元素を添加することで所望の特性が得られる ように調整することができる。

 さらに、図20において絶縁層20の成長の下 地となる高分極層70は、それに用いる材料の� ��択によっては、特定の絶縁層20の結晶配向� �制御する制御層としての役割を併せ持たせ� �こともできる。例えば、近年トンネル磁気� �合において絶縁層として(001)配向したMgOを用 いたときに非常に大きな磁気抵抗効果比が発 現されることが報告されているが、このMgOの (001)配向は、例えば高分極層70としてCo-Fe-Bを� ��いることによって実現することができる。

(第9の変形例)
 図21は本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第9の変形例の構造を模式的に示� ��ている。第9の変形例は第3強磁性層15と第2� �磁性層30の位置関係に関する。図1から図20で は第3強磁性層15と第2強磁性層30は第1強磁性� �10に対して互いに反対側の面に配置される例 を示したが、この位置関係は任意であり、例 えば図21のように第1強磁性層10の同じ面に隣� ��していてもよい。

(第10の変形例)
 図22は本発明の第1実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第10の変形例の構造を模式的に示 している。第10の変形例は、第1強磁性層10の� ��なくとも第3強磁性層15と接する部分以外の� ��が、絶縁層20を介して、第2強磁性層30に接� �されることを特徴とする。

 本実施形態では情報の書き込みの際には� ��1強磁性層10に直接電流を流す。このとき第1 強磁性層10の発熱による動作の不安定性や素� ��の寿命の低下が懸念される。ここで第1強磁 性層10が熱伝導率の高い材料となるべく多く� ��面で接しているときに放熱が起こり易くな� ��、発熱の影響は軽減できる。なお、図22で� �第1強磁性層10に対して、第3強磁性層15と接� �る面とは反対側の面の全面が絶縁層20を介し て第2強磁性層30と接しているが、絶縁層20、� ��び第2強磁性層30の形状、及び配置は任意で� ��る。

(第11の変形例)
 図23Aと図23Bは本発明の第1実施形態に係る磁 気抵抗効果素子80の第11の変形例の構造を模� �的に示している。第11の変形例は第1強磁性� �10、絶縁層20、及び第2強磁性層30の積層順に� ��する。図11では第1強磁性層10は第2強磁性層3 0に対して基板110側に配置されるが、本変形� �では第2強磁性層30が第1強磁性層10に対して� �板側に配置される。

 ここで第2強磁性層30の形状は図23Aに示さ� ��るように第1強磁性層10よりも小さく形成さ� ��てもよい。あるいは図23Bに示されるように� ��1強磁性層10よりも大きく形成されてもよい� ��図23Bのような構造を用いた場合には、第10� �変形例で述べたように発熱の影響を軽減で� �るほか、第2強磁性層30から第1強磁性層10へ� �磁束の影響を低減することができる。

(第12の変形例)
 図24Aと図24Bは本発明の第1実施形態に係る磁 気抵抗効果素子80の第12の変形例の構造を模� �的に示している。図24Aは第12の変形例の斜視 図である。図24Bはその平面図である。第12の� ��形例では第1強磁性層10は第1の方向(図中のx� ��方向)に延伸して設けられる磁壁移動部10cと 、磁壁移動部10cの一方の端部に接続して第2� �方向(図中の+y方向)に略平行に延伸して設け� ��れる第1の磁化固定部10aと、磁壁移動部10cの 他方の端部に接続して第2の方向とは反平行� �向(図中の-y方向)に略平行に延伸して設けら� ��る第2の磁化固定部10bにより構成される。ま た第1の磁化固定部10a、第2の磁化固定部10bに� ��それぞれ第1の第3強磁性層15a、第2の第3強磁 性層15bが隣接してかつ同じ面に設けられる。 また図では省略されているが、磁壁移動部10c には絶縁層が隣接し、さらに前記絶縁層に隣 接して第2強磁性層が設けられる。

 第12の変形例でも、上述のような初期化� �程により第1強磁性層10内にひとつの磁壁を� �入することができる。但しこの場合、第1の� ��期化過程においては、十分大きな外部磁界� ��図中のy軸に略平行方向に印加される。この 磁界によってy方向に飽和した磁化が図3Aから 図3Cで示されるような過程で緩和されたとき� ��磁化状態が図24Bでは矢印で示されている。� ��24Bに示されるように、磁壁移動部10cの磁化� ��向は定まらないが、磁壁移動部10cと第1磁化 固定部10a、および磁壁移動部10cと第2磁化固� �部10bの境界付近の磁化は必ずz軸方向で反平� ��方向を向く。これによって、磁壁移動によ� ��書き込みが可能となる。

 また図24Aと図24Bでは第1磁化固定部10a、お よび第2磁化固定部10bの長手方向は磁壁移動� �10cの長手方向に対して膜面内で垂直方向に� �かれているが、これはいかなる角度であっ� �も構わない。例えば、第1磁化固定部10a、第2 磁化固定部10bの長手方向が磁壁移動部10cの長 手方向と平行になるとき、本変形例は図1、� �2に示される形態に一致する。

 本変形例では、第1の第3強磁性層、第2の� ��3強磁性層の材料や形状、膜厚、及び第1磁� �固定部10a、及び第2磁化固定部10bの長手方向� ��磁壁移動部10cの長手方向のなす角を調整す� ��ことにより、磁壁のピンポテンシャルを調� ��することができる。

(初期化磁界の角度)
 第11の変形例や、この後述べられる第2実施� ��態で示されるように、本発明の実施形態で� ��第1強磁性層10の形状や第1強磁性層10と第3強 磁性層15の位置関係には任意性がある。とこ� ��で本発明の実施形態においては、第1強磁性 層10に第3の強磁性層15が磁気的に隣接し、膜� ��長手方向への磁界を印加することにより、� ��モリ状態の初期化を行うことが特徴である� ��ここでは膜面長手方向への初期化が可能な� ��1強磁性層10の好適な形状、第3強磁性層15の� ��1強磁性層10に対する好適な位置、及び第1の 初期化過程における外部磁界の印加方向に関 する好適な条件について主に図2、図24Aと図24 Bを用いて説明する。

 まず、本発明の実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80においては第1強磁性層10は第1の方� ��(図中のx軸方向)に延伸して設けられる磁壁� ��動部10cと、磁壁移動部10cの第1の端部に接続 して、第2の方向(図2では-x方向、図24Aと図24B� ��は+y方向)に延伸して設けられる第1の磁化固 定部10aと、磁壁移動部10cの第2の端部に接続� �て第3の方向(図2では+x方向、図24Aと図24Bでは -y方向)に延伸して設けられる第2の磁化固定� �10bからなる。ここで第2の方向と第3の方向は 平行ではなく、反平行な成分である第1の成� �(図2ではx成分、図3Aから図3Cではy成分)を有� �る。また第1の磁化固定部10aには第1の第3強� �性層15aが磁気的に隣接して設けられ、第2の� ��化固定部10bには第2の第3強磁性層15bが磁気� �に隣接して設けられる。

 ここで第1の第3強磁性層15a、第2の第3強磁 性層15bは、第1強磁性層10に対して積層方向に おいて異なる高さで且つ同じサイドに設けら れる。すなわち、第1強磁性層10の膜厚方向の 中心を通る面を第1の面S1、第1の第3強磁性層1 5aの膜厚方向の中心を通る面を第2の面S2、第2 の第3強磁性層15bの膜厚方向の中心を通る面� �第3の面S3としたとき、S1、S2、S3のz座標の平� ��値をそれぞれ第1の高さZ1、第2の高さZ2、第3 の高さZ3すると、Z1<Z2且つZ1<Z3が成り立た なくてはならない。あるいは、Z1>Z2且つZ1&g t;Z3が成り立たなくてはならない。なお、図2� ��Z1>Z2且つZ1>Z3の例であり、図21はZ1<Z2� �つZ1<Z3の例である。

 上述のような第1強磁性層10と第3強磁性層 15の位置関係のときに、第1の初期化過程では 十分大きな外部磁界を第1の成分(図2ではx成� �、図3Aから図3Cではy成分)の方向に略平行に� �加する。この磁界によって飽和した第1強磁� ��層10の磁化が緩和する過程で、第3強磁性層1 5との磁気的相互作用により第1強磁性層10の� �には少なくとも一つの磁壁が形成される。

 このようなことから本発明においては図2 5Aと図25Bに示されるような更なる第11の変形� �も可能である。図25Aは斜視図、図25Bは平面� �を示している。本変形例では、第1の磁化固� ��部10aが延伸して設けられる第2の方向とは図 25Bのs方向である。また第2の磁化固定部10bが� ��伸して設けられる第3の方向とは図25Bのt方� �である。また第2の方向(s方向)と第3の方向(t� ��向)の平行成分は図25A、図25Bのy成分であり� �反平行成分である第1の成分とはこの場合x成 分である。従って、x方向に略平行に十分大� �な磁界を印加した後、緩和した場合、図25B� �紙面に矢印で示されるような磁化配置が実� �され、メモリ状態の初期化が可能であるこ� �がわかる。

[第2実施形態]
(磁気メモリセルの構成)
 本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗効果素 子80の主要な部分の構造を表す斜視図を図26� �示す。また図26に示したx-y-z座標系におけるx -z断面図を図27に示す。本発明の第2実施形態� ��係る磁気抵抗効果素子80は、x方向に延伸し� ��設けられる第1強磁性層10と、第1強磁性層10� ��隣接して設けられる絶縁層20と、絶縁層20に 隣接して第1強磁性層10とは反対側に設けられ る第2強磁性層30と、第1強磁性層10の両端付近 に磁気的に接して設けられる第3強磁性層15と 、第1強磁性層10の両端付近で、且つ第3強磁� �層15よりも内側において、第1強磁性層10に電 気的に接して設けられる電極層200を具備する 。絶縁層20は、第1強磁性層10と第2強磁性層30� ��挟まれており、これら第1強磁性層10、絶縁� ��20、第2強磁性層30によって磁気トンネル接� �(MTJ)が形成されている。

 第2実施形態における第1強磁性層10、第2� �磁性層30、第3強磁性層15、及び絶縁層20の材� ��特性、磁化方向、位置関係等については第1 実施形態と同じであるので、ここでは省略す る。なお、図27では第1強磁性層10、第2強磁性 層30、第3強磁性層15の磁気異方性の方向の例� ��矢印で示されている。

 第2実施形態の第1実施形態との違いは、� �数の電極層200が設けられることにある。そ� �て本実施形態においては、複数の電極層200� �うちの2つ、及び第2強磁性層30が外部の異な� ��配線に接続される。このように第2実施形態 においても磁気抵抗効果素子80は3端子の素子 となる。

 電極層200は電気抵抗の小さな導体材料に� ��り構成されることが望ましい。具体的にはC u、Alなどが例示される。また、異なる材料の 積層膜により構成されてもよい。

(初期化方法)
 次に本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗効 果素子80の初期化方法について図28Aから図28C� ��および図29Aから図29Cを用いて説明する。当� ��磁気抵抗効果素子80では、第1強磁性層10に� �壁を導入する必要があり、図28Aから図28C、� �よび図29Aから図29Cはその過程を示している� �なお、これらの図では第1強磁性層10、第3強� ��性層15、及び電極層200のみが示されている� �

 第2実施形態においても第1実施形態にお� �る初期化方法と同様な原理を用いてメモリ� �態の初期化を行う。すなわち、第1強磁性層1 0に磁壁を導入するためには、はじめに磁気� �抗効果素子80に一様かつ十分大きな外部磁界 を図のx軸に略平行方向に印加する。このと� �図28Aに示されるように、全ての磁気モーメ� �トが外部磁界方向に揃い飽和した状態とな� �。次にこの状態から外部磁界をz軸方向の成� ��を加えることにより立ち下げる。この立ち� ��げのスピードは適度に遅いことが望ましい� ��このとき磁化の緩和が始まり、第1強磁性層 10、第3強磁性層15はいずれもz軸方向の磁気異 方性を有するため、はじめに図28Bに示される ように第1強磁性層10のうちの第3強磁性層15と の接続面付近の磁化が第3強磁性層15の磁化と 緩やかに繋がるようにz軸方向に回転を始め� �。この回転を始めた磁化は膜面垂直方向の� �化を有する磁区を形成し、この磁区が第1強� ��性層10の中で成長する。ここで、図28Bに示� �れるように、第1強磁性層10の中で成長する� �つの磁区は互いに略反平行方向の磁化を有� �る。従って、図28Bに示されるように、二つ� �磁区が成長して出会ったとき、そこに磁壁� �形成される。以上が本発明の第2実施形態に� ��ける磁気抵抗効果素子80の第1の初期化過程� ��ある。

 第1の初期化過程によって第1強磁性層10に 導入された磁壁は、図29Aから図29Cに示される ような第2の初期化過程によって所望の位置� �移動される。図29Aは第1の初期化過程が終了� ��た時点での磁化状態の例である。図29Aの状� ��において、例えば後述する書き込み電流を� ��数の電極層200の間で通ずる(図中の破線矢印 方向)。このとき電流の方向によって図29Bま� �は図29Cのいずれかのメモリ状態に初期化す� �ことができる。この他、後に述べるように� �1強磁性層10の中に磁壁のピニングサイトを� �けた場合、第1実施形態で示したようにz軸方 向の磁界を用いて第2の初期化過程を行うこ� �もできる。

(書き込み方法)
 次に本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗効 果素子80への情報の書き込み方法について図3 0Aと図30Bを用いて説明する。図30A、図30Bには� ��該磁気抵抗効果素子80における異なるメモ� �状態(“0”状態と“1”状態)に対応する磁化� ��態がx-z断面で模式的に示されている。図に� ��されているように、“0”状態では第1強磁� �層10の中央部が紙面上向きに(図30A)、“1”状 態は第1強磁性層10の中央部が紙面下向きに(� �30B)磁化しているものと定義する。ただし、� ��化方向とメモリ状態に関する定義が上述の� ��りでないことは言うまでもない。

 今、上述のような磁化状態のとき、“0” 状態では磁壁は第1強磁性層10の右側の第2の� �極層200bとの接点付近に、“1”状態では磁壁 は第1強磁性層10の左側の第1の電極層200aとの� ��点付近に形成されている。第2実施形態にお いても第1実施形態と同様に電流によって磁� �を移動させることで書き込みを行う。例え� �図30Aの“0”状態において、第1の電極層200a� �ら第2の電極層200bに向かって電流を流し、紙 面の右から左に伝導電子が流れる場合、第1� �磁性層10の右側で第2の電極層200bとの接点付� ��にあった磁壁は、伝導電子によるスピント� ��ンスファートルクを受け、伝導電子と同じ� ��向に移動し、第1強磁性層10の左側の第1の電 極層200aとの接点付近に至る。また図30Bの“1� ��状態において、第2の電極層200bから第1の電� ��層200aに向かって電流を流し、紙面の左から 右に伝導電子が流れる場合、第1強磁性層10の 左側の第1の電極層200aとの接点付近にあった� ��壁は、伝導電子によるスピントランスファ� ��トルクを受け、伝導電子と同じ方向に移動� ��、第1強磁性層10の右側の第2の電極層200bと� �接点付近に至る。このようにして“0”状態� ��ら“1”状態へ、及び“1”状態から“0”状� ��への書き込みができる。

 ここで例えば“0”状態から“1”状態へ� �遷移のときには磁壁は第1強磁性層10におい� �第2の電極層200bとの接点付近から第1の電極� �200aの接点付近にまで移動するが、この第1の 電極層200aとの接点付近を越えて更に左方向� �と移動することはない。これは、書き込み� �流は第1強磁性層10から第1の電極層200aへと流 れるため、図において第1の電極層200aよりも� ��側では電流が流れず、磁壁は移動できない� ��めである。

 また第1実施形態と同様に第2実施形態にお� �てもオーバーライトは可能である。
 さらに書き込み特性をより安定化させるた� ��には、図12Aと図12Bに示されるような磁壁の� ��定点を第1強磁性層10と電極層200との接点付� ��に意図的に形成してもよい。

 (読み出し方法)
 本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗効果素 子80からの情報の読み出し方法は、第1実施形 態と同様に磁気抵抗効果を利用して行う。そ の方法は第1実施形態と共通するのでここで� �省略する。

(第1の変形例)
 図31は本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第1の変形例の構造を模式的に示� ��ている。第1の変形例では、第3強磁性層15と 電極層200が第1強磁性層10の異なる面に隣接し て設けられる。また第1強磁性層10と第3強磁� �層15は磁気的に結合していればよく、その間 に異なる層が挿入されてもよい。

 第1の変形例では電極層200と第3強磁性層15 が異なるレイヤーに設けられるため、製造が 容易となる。例えば、初めに電極層200を形成 した後、第1強磁性層10、絶縁層20、及び第2強 磁性層30を成膜、パターニングし、その後第3 強磁性層15を成膜、パターニングすることに� ��り製造することができる。

 また、図31で示されているように電極層20 0と第3強磁性層15は異なるレイヤーに設けら� �るため、x-y平面において互いにオーバーラ� �プしていてもよい。すなわち、電極層200と� �3強磁性層15のスペースに関する製造プロセ� �上の制約がなくなるため、セル面積を低減� �ることができる。

 また、第2実施形態においては、磁壁は第 1強磁性層10のうち、電極層200との接点付近に おいてピニングされる。ここで第1の変形例� �用いることにより、第3強磁性層15からの漏� �磁束でピニングすることができる。漏れ磁� �の大きさは第3強磁性層15に用いる材料の飽� �磁化や膜厚、及び第3強磁性層15と電極層200� �位置関係によりコントロールすることがで� �るため、これによってピンポテンシャルの� �きさを制御でき、安定した動作が可能な素� �を容易に設計することができる。

(第2の変形例)
 図32は本発明の第2実施形態に係る磁気抵抗� ��果素子80の第2の変形例の構造を模式的に示� ��ている。前述のように第1強磁性層10と第3強 磁性層15は磁気的に結合していればよく、空� ��的には離れていてもよい。第2の変形例にお いては、第1強磁性層10と第3強磁性層15は空間 的に隔離して設けられる。

 図32のような第1強磁性層10と第3強磁性層1 5の位置関係においても図28Aから図28C、およ� �図29Aから図29Cに示されるような初期化方法� �より、磁壁を導入できることがマイクロマ� �ネティックシミュレーションにより確認さ� �ている。

 第2の変形例では第3強磁性層15を隔離して 設けることができるため、素子、プロセスの 設計の自由度が高まり、製造が容易となる。

(第3の変形例)
 図33Aと図33Bは本発明の第2実施形態に係る磁 気抵抗効果素子80の第3の変形例の構造を模式 的に示している。図33Aと図33Bでは、複数のセ ルがx-z断面図で示されている。第3の変形例� �おいては第3強磁性層15が隣接するビット間(� ��接するメモリセル間)で共有される。ここで 、図33Aのように第3強磁性層15は隣接する第1� �磁性層10に対して空間的に接して設けられて もよいし、図33Bのように空間的に隔離されて 設けられてもよい。なお、図33Aに示されるよ うに空間的に接して設けられる場合、第3強� �性層15の材料としては電気抵抗の大きな強磁 性薄膜が用いられることが望ましい。これは 、書き込み電流が隣り合うビットに流れるこ とを防ぐためである。電気抵抗の大きな強磁 性薄膜としては、Co-Pt-CrとSiO ₂ のグラニュラー膜などが例示される。第3の� �形例では第3強磁性層15を共有することによ� �、セル面積が低減される。

(その他の変形例)
 この他、第2実施形態においても第1実施形� �で挙げたような変形例を用いることができ� �。例えば、磁壁の安定点を形成するために� �図12Aと図12Bに示されるようなノッチや段差� �設けてもよく、また安定動作のために図13A� �ら図13Dのように第1強磁性層10の平面形状を� �切に設計することができる。また図24Aと図24 B、および図25Aと図25Bに示されるように第1強� ��性層10が屈折した平面形状を有し、第1の磁� ��固定部10aから磁壁移動部10cを通って第2の磁 化固定部10bへ向かう各部位の中央線において 、第1強磁性層10は第3強磁性層15と隣接する領 域よりも内側で電極層200と隣接してもよい。 この他にも様々な組み合わせが可能となるが 、説明が重複するので省略する。

 当業者は上記実施形態の様々な変形を容� ��に実施することができる。したがって、本� ��明は上記実施形態に限定されることはなく� ��請求の範囲やその均等物によって参酌され� ��最も広い範囲で解釈される。

 この出願は、2007年10月4日に出願された日 本出願特願2007-260590号を基礎とする優先権を� ��張し、その開示の全てをここに取り込む。