CN101689600B - 磁阻效应元件及磁性随机存取存储器 - Google Patents

Abstract

一种磁阻效应元件，具有：磁化自由层；分隔层，与磁化自由层相邻设置；第一磁化固定层，与分隔层相邻地设置在与磁化自由层相反的一侧；以及至少两个第二磁化固定层，与磁化自由层相邻设置。磁化自由层、第一磁化固定层、及第二磁化固定层具有与膜面大致垂直的方向的磁化成分。磁化自由层具有：两个磁化固定部；和配置在两个磁化固定部之间的磁畴壁移动部。构成磁化自由层的两个磁化固定部的磁化，在与膜面大致垂直的方向上被固定为彼此大致反向平行。磁畴壁移动部具有与膜面垂直的方向的磁各向异性。

Description

磁阻效应元件及磁性随机存取存储器

技术领域

本发明涉及一种磁阻效应元件及具有该磁阻效应元件作为存储单元的磁性随机存取存储器。

背景技术

磁性随机存取存储器(Magnetic Random Access Memory：MRAM)作为一种高速动作及可无限次重写的非易失性存储器，正被广泛开发。在MRAM中使用磁性体作为存储元件，与磁性体的磁化方向对应地存储信息。作为转换该磁性体的磁化的方法，提出了几种方案，但是不管是哪一种方案其共同点在于都使用电流。在MRAM的实用化过程中非常重要的是，能够将上述写入电流减小到什么程度，根据2006Symposium on VLSI Circuits，Digest of Technical Papers，p.136，要求降低至0.5mA以下，更为优选的是降低至0.2mA以下。

向MRAM写入信息的方法中最为普遍的是以下方法：在磁性存储元件的周围配置用于写入的布线，通过电流在该布线中流动而产生的磁场来转换磁性存储元件的磁化方向。由于该方法是基于磁场的磁化反转，因此在原理上可以实现一纳秒以下的写入，适合实现高速MRAM。但是用于转换能够确保热稳定性、抗外磁场耐性的磁性体的磁化的磁场，一般在数十Oe(奥斯特)左右，为了产生这种磁场，需要数十mA左右的电流。此时，不仅不得不增加芯片面积，而且写入所需的电力消耗也增大，因此与其他随机存取存储器相比没有竞争力。并且，当元件变小时，导致写入电流进一步增大，因此从定标(Scaling)方面考虑也不是优选的。

近年来，作为解决上述问题的方法，提出了以下两种方法。第一方法是利用自旋注入磁化反转。该方法如下：在由磁化可反转的第一磁性层、和与之电连接且磁化被固定的第二磁性层构成的层叠膜中，是电流在第二磁性层和第一磁性层之间流动，利用上述电流流动时的自旋极化的传导电子和第一磁性层中的局部电子之间的彼此作用，反转第一磁性层的磁化。自旋注入磁化反转是在某电流密度以上时发生，因此当缩小元件的尺寸时，写入所需的电流降低。即，可以说自旋注入磁化反转方式在定标性方面优秀。但是一般情况下，在第一磁性层和第二磁性层之间设置有绝缘层，在写入时必须使较大的电流在该绝缘层流动，因此重写性及可靠性成为课题。并且，一般情况下，写入电流路径和读取电流路径相同，因此还可能存在读取时进行误写入的问题。即可以说自旋注入磁化反转虽然在定标性方面优秀，但是在实用上存在一些障碍。

另一个方法是利用电流驱动磁畴壁移动现象。利用了电流驱动磁畴壁移动现象的磁化反转方法，可以解决自旋注入磁化反转所存在的上述问题。利用电流驱动磁畴壁移动现象的MRAM例如在日本特开2005-123617号公报、日本特开2005-191032号公报、日本特开2006-073930号公报、日本特开2006-270069号公报、日本特开2006-287081号公报中进行了公开。尤其在日本特开2006-073930号公报公开了由在膜厚方向上磁化的磁性体膜构成的磁阻效应元件。

利用电流驱动磁畴壁移动现象的MRAM中，一般情况下，磁化可反转的第一磁性层的两端部的磁化被固定为彼此大致反向平行。进行这种磁化配置时，在第一磁性层内会导入磁畴壁。其中，如PhysicalReview Letters，vol.92，No.7，077205(2004)中的报告所示，电流在贯通磁畴壁的方向上流动时，磁畴壁会朝传导电子的方向移动，因此通过使电流在第一磁性层内流动能够进行写入。电流驱动磁畴壁移动也在某电流密度以上时发生，因此可以说与自旋注入磁化反转同样具有定标性。并且，在利用电流驱动磁畴壁移动的MRAM元件中，写入电流不在绝缘层中流动，并且写入电流路径和读取电流路径不同，因此能够解决在自旋注入磁化反转中举出的上述问题。

但是，在利用电流驱动磁畴壁移动的MRAM中，可能存在写入电流的绝对值比较大的问题。除Physical Review Letters，vol.92，No.7，077205(2004)之外，对电流诱发磁畴壁移动的观察有过多个报告，大体上磁畴壁移动需要1×10⁸[A/cm²]左右的电流密度。此时，例如在将产生磁畴壁移动的层的宽度设为100nm、将膜厚设为10nm时，写入电流为1mA。为了降低写入电流至1mA以下，只要使膜厚变薄即可，但是公知在膜厚变薄时会导致写入所需的电流密度进一步上升(例如，参照Japanese Journal of Applied Physics，vol.45，No.5A，pp.3850-3853，(2006))。

并且，为了产生电流驱动磁畴壁移动，需要将产生磁畴壁移动的层的宽度降低至数十nm以下，但是在加工技术方面又难以实现这一点。

并且，为了产生磁畴壁移动而使用接近于1×10⁸[A/cm²]的电流密度时，可能存在电子移动及温度上升的影响。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种磁阻效应元件及将其作为存储单元使用的MRAM，利用写入电流非常小且电流密度本身也小的电流驱动磁畴壁移动现象进行磁化反转。

在本发明的一个观点中，磁阻效应元件，具有：磁化自由层；分隔层，与所述磁化自由层相邻设置；第一磁化固定层，与所述分隔层相邻地设置在与所述磁化自由层相反的一侧；以及至少两个第二磁化固定层，与所述磁化自由层相邻设置。所述磁化自由层、所述第一磁化固定层、及所述第二磁化固定层具有与膜面大致垂直的方向的磁化成分。所述磁化自由层具有：两个磁化固定部；和配置在所述两个磁化固定部之间的磁畴壁移动部。构成所述磁化自由层的所述两个磁化固定部的磁化，在与膜面大致垂直的方向上被固定为彼此大致反向平行。所述磁畴壁移动部具有与膜面垂直的方向的磁各向异性。

根据本发明，能够提供一种磁阻效应元件及将其作为存储单元使用的MRAM，利用写入电流非常小且电流密度本身也小的电流驱动磁畴壁移动现象进行磁化反转。

附图说明

图1A为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的透视图。

图1B为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图1C为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图2A为用于说明向第一实施方式的磁阻效应元件写入信息的写入方法的俯视图。

图2B为用于说明向第一实施方式的磁阻效应元件写入信息的方法的俯视图。

图3A为用于说明第一实施方式的磁阻效应元件的优越性的概念图。

图3B为用于说明第一实施方式的磁阻效应元件的优越性的概念图。

图4为用微磁学模拟对面内磁化膜和垂直磁化膜中的退钉扎(Depinning)磁场和退钉扎电流密度的关系进行计算的结果。

图5为对垂直磁化膜的退钉扎电流密度与膜厚的关系进行计算的结果。

图6为对温度上升与电流密度的关系进行测定的结果。

图7A为用于说明从第一实施方式的磁阻效应元件读取数据的方法的剖视图。

图7B为用于说明从第一实施方式的磁阻效应元件读取数据的方法的剖视图。

图8为磁性存储单元的一个单元的电路图的例子。

图9为表示磁性存储单元的设计例子的俯视图。

图10为本发明所涉及的磁性存储单元的设计例子的剖视图。

图11A为表示第一实施方式的磁阻效应元件中的第二磁化固定层的结构例的剖视图。

图11B为表示第一实施方式的磁阻效应元件中的第二磁化固定层的结构例的剖视图。

图11C为表示第一实施方式的磁阻效应元件中的第二磁化固定层的结构例的剖视图。

图11D为表示第一实施方式的磁阻效应元件中的第二磁化固定层的结构例的剖视图。

图11E为表示表示第一实施方式的磁阻效应元件中的第二磁化固定层的结构例的俯视图。

图11F为表示表示第一实施方式的磁阻效应元件中的第二磁化固定层的结构例的剖视图。

图12A为表示本发明的第二实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图12B为表示第二实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图12C为表示第二实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图12D为表示第二实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图13A为表示本发明的第三实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图13B为表示本发明的第三实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图13C为表示本发明的第三实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图13D为表示本发明的第三实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的俯视图。

图14A为表示本发明的第四实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图14B为表示本发明的第四实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图15为表示本发明的第五实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图16为表示本发明的第六实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图17为表示本发明的第七实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图18A为表示本发明的第八实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的透视图。

图18B为表示本发明的第八实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图19A为表示本发明的第九实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的透视图。

图19B为表示本发明的第九实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的透视图。

图20A为表示本发明的第十实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图20B为表示本发明的第十实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

图20C为表示本发明的第十实施方式的磁阻效应元件的主要部分的结构的剖视图。

具体实施方式

第一实施方式

(磁阻效应元件的结构)

图1A为表示本发明的第一实施方式的磁阻效应元件80的主要部分的结构的透视图。以下，如图1A所示定义xyz直角坐标系进行说明。图1B为表示磁阻效应元件80的结构的x-y俯视图，图1C为表示磁阻效应元件80的结构的x-z剖视图。

如图1A所示，磁阻效应元件80具有：在x方向上延伸设置的磁化自由层10；与磁化自由层10相邻设置的分隔层20；与分隔层20相邻地设在与磁化自由层10相反的一侧的第一磁化固定层30；和在磁化自由层10的两端相邻设置的第二磁化固定层15a、15b。分隔层20夹在磁化自由层10和磁化固定层30之间。优选分隔层20由非磁性绝缘体构成。此时，磁化自由层10、分隔层20、磁化固定层30起到具有TMR(tunneling magnetoresistance：隧道磁阻)效应的磁性隧道结(MTJ)的功能。分隔层20还可以由导体、半导体构成。此时，磁化自由层10、分隔层20、磁化固定层30起到具有GMR(giant magnetoresistance：巨磁阻)的自旋阀的功能。

磁化自由层10、第一磁化固定层30、及第二磁化固定层15a、15b由强磁性体构成。在图1C中用箭头表示了磁化自由层10、第一磁化固定层30、及第二磁化固定层15a、15b的磁化方向。如图1C所示，磁化自由层10、第一磁化固定层30、及第二磁化固定层15a、15b的磁化都朝向与z轴大致平行的方向。为了实现这种磁化方向，磁化自由层10、第一磁化固定层30、及第二磁化固定层15优选的是由具有垂直磁化的材料或层叠膜形成。此时的层叠膜可以为由强磁性体构成的层叠膜，还可以为由强磁性体和非磁性体构成的层叠膜。

如图1B所示，磁化自由层10具有磁化固定部11a、11b、磁畴壁移动部13、及磁畴壁钉扎部12a、12b。如图1C所示，第一磁化固定层30被设置为与磁畴壁移动部13的至少一部分重叠。在磁化固定部11a、11b上相邻设置有第二磁化固定层15a、15b，并且，由此磁化固定部11a、11b的磁化方向被固定为彼此大致反向平行的方向。并且，磁畴壁移动部13形成为，其磁化能够在+z方向、-z方向之间反转。此时，与磁化固定部11a、11b及磁畴壁移动部13的磁化方向对应地，在磁畴壁钉扎部12a和磁畴壁钉扎部12b中的任意一个中形成磁畴壁。磁畴壁钉扎部12a和磁畴壁钉扎部12b具有在该系统上没有施加磁场、电流的情况下使该磁畴壁稳定地停留的功能。并且，在图1A至图1C所示的结构中，即使磁畴壁钉扎部12a、12b不设置成特殊的结构，也能够自然地钉扎磁畴壁，这已通过微磁学计算得到判明。但是，如后文所述，也可以有意识地对磁畴壁钉扎部12a、12b实施进一步增强钉扎势的处理。

磁化固定部11a、11b及第一磁化固定层30与外部的不同布线电连接。在这里，磁化固定部11a、11b也可以通过第二磁化固定层15a、15b与外部的布线电连接。如此，磁阻效应元件80构成为三端子元件。并且，虽然在图1A至图1C中没有进行图示，但是优选的是，将用于与布线接触的电极层与第一磁化固定层30及磁化自由层10或第二磁化固定层15相邻设置。

(写入方法)

参照图2A、图2B，对向磁阻效应元件80写入数据的方法进行说明。图2A、图2B为示意性地表示磁阻效应元件80所能取的两种状态即“0”状态和“1”状态的俯视图。其中，“0”状态是指在磁阻效应元件80中写入了数据“0”的状态，“1”状态是指在磁阻效应元件80中写入了数据“1”的状态。以下，如图2A、图2B所示，将第一磁化固定部11a的磁化固定为+z方向、将第二磁化固定部11b的磁化固定为-z方向而进行说明。并且，以下将“0”状态定义为磁畴壁移动部13磁化为+z方向(图2A)，将“1”状态定义为磁畴壁移动部13磁化为-z方向(图2B)。但是，磁化固定部11a、11b的磁化方向只要是彼此大致反向平行即可，不限于上述的方向。并且，有关数据的值和磁畴壁移动部13的磁化方向的关系的定义当然不限于上述情况。

在如上所述的磁化状态的情况下，在“0”状态下，磁畴壁形成在磁畴壁钉扎部12b，在“1”状态下，磁畴壁形成在磁畴壁钉扎部12a。在本实施方式中，通过改变在磁化自由层10中流动的电流的方向，使磁畴壁在磁畴壁钉扎部12a、12b之间移动，由此将所希望的数据写入到磁阻效应元件80中。例如，磁阻效应元件80处于图2A的“0”状态时，当电流朝+x方向流动时(即，传导电子朝-x方向流动时)，位于磁畴壁钉扎部12b的磁畴壁，受传导电子的自旋转移矩的作用，朝与传导电子相同的方向移动，到达磁畴壁钉扎部12a。并且，磁阻效应元件80处于图2B的“1”状态时，当电流朝-x方向流动时(即，传导电子朝+x方向流动时)，位于磁畴壁钉扎部12a的磁畴壁，受传导电子的自旋转移矩的作用，朝与传导电子相同的方向移动，到达磁畴壁钉扎部12b。由此能够进行自“0”状态到“1”状态及自“1”状态到“0”状态的写入。

并且，磁阻效应元件80处于图2A所示的“0”状态时，使电流朝-x方向流动的情况下，即写入数据“0”时，磁畴壁试图朝+x方向移动，但是若磁化固定部11b的磁化被充分固定的话，则不会引起磁畴壁移动。因此，还可进行重写动作(不反转磁化方向的写入动作)。或者，若具有即使磁化固定部11b的磁化因磁畴壁的移动而反转为+z方向、电流被切断时也能使磁化再次恢复到原来的状态即朝向-z方向的状态的机构的话，则能够进行如上所述的重写动作。作为该恢复的机构，可以利用与第二磁化固定层15彼此间的磁作用。

(原理)

本实施方式的磁阻效应元件80的特征之一为，写入数据时引起磁畴壁移动的层(即磁畴壁移动部13)在垂直方向上具有磁各向异性，由此实现写入电流密度的降低。参照图3A、图3B说明其作用机理。

根据Europhysics Letters，vol.69，2005，pp.990-996，考虑自旋极化电流时的磁性体的局部磁化行为可用下述式(1)表示：

$\stackrel{\·}{\stackrel{\→}{m}}={\mathrm{\γ}}_0\stackrel{\→}{H}\×\stackrel{\→}{m}+\mathrm{\α}\stackrel{\→}{m}\×\stackrel{\·}{\stackrel{\→}{m}}-(\stackrel{\→}{u}\·\▿)\stackrel{\→}{m}+\mathrm{\β}\stackrel{\→}{m}\×\left[(\stackrel{\→}{u}\·\▿)\stackrel{\→}{m}\right]---\left(1\right)$

其中，m为局部磁矩，H为磁场，γ₀为回转磁常数，α为吉尔伯特阻尼常数，β为非绝热自旋矩项的系数，u用下述式(2)表示：

$\stackrel{\→}{u}=\frac{\mathrm{Pg}{\mathrm{\μ}}_B}{2\mathrm{eMs}}\stackrel{\→}{j}---\left(2\right)$

上述式(2)表示实际的电流密度。其中，P为自旋极化率，g为朗德g因子，μ_B为玻尔磁子，e为电子基本电荷，M_S为饱和磁化强度，j为具有[A/m²]的单位的一般电流密度，此时u为具有[m/s]的单位的量。式(1)表示式左边的磁化的随时间的变化由式右边的多个因素引起的关系，到式右边的第二项与古典的LLG方程一致。式右边第一项表示由磁场引起的转矩，第二项表示阻尼，第三项表示绝热的自旋矩效应，第四项表示非绝热的自旋矩效应。以下，将第二项、第三项、第四项分别称为α项、自旋矩项、β项。

图3A为示意性地表示作用在处于磁化朝向面内方向的磁性体膜(以下称为“面内磁化膜”)上的磁畴壁上的转矩的图，图3B为示意性地表示作用在处于磁化朝向与膜面方向垂直的方向的磁性体膜(以下称为“垂直磁化膜”)上的磁畴壁上的转矩的图。对于面内磁化膜，如图3A所示，当传导电子朝虚线箭头方向流动时，由于自旋矩项，磁畴壁内的磁矩1试图朝图中的箭头2的方向即在x-y面内旋转。与此同时，由于α项、β项，磁畴壁内的磁矩1试图朝箭头3的方向即在y-z面内旋转。旋转方向根据α项和β项的效应的大小关系而发生变化。其中，在没有β项的效应的情况下，基于α项的磁化旋转方向，由于反磁场而构成阻碍磁畴壁的运动即妨碍朝向图中箭头2的方向旋转的方向。这还可以解释为，电流的能量与基于α项的朝图中箭头3的方向的旋转所生成的能量达到平衡，由此磁畴壁的移动停止。该平衡因β项的效应的作用而被破坏，此时可观测基于电流的磁畴壁移动(参照Europhysics Letters，vol.69，pp.990-996(2005))。即，可以认为面内磁化膜上的磁畴壁移动是由β项驱动。

另一方面，在垂直磁化膜的情况下(图3B)，由于自旋矩项，磁畴壁内的磁矩1试图朝图3B的箭头2的方向即在x-z面内旋转。与此同时，由于α项、β项，试图朝图3B的箭头3的方向即在x-y面内旋转。旋转方向根据α项β项的效应的大小关系而确定。其中，在面内磁化膜的情况下，由于基于α项的旋转为向能量不稳定的状态变化的方向，因此阻碍磁畴壁移动，但是在垂直磁化膜的情况下，即使由于α项引起旋转，能量的增加与面内磁化膜的情况相比非常小。因此，由于α项及β项，磁畴壁内的磁矩能够在x-y平面上大致自由地旋转，结果几乎不妨碍因自旋矩项而朝图3B的箭头3方向旋转。即，可以看出在垂直磁化膜的情况下，极小的电流也能够通过自旋矩项驱动磁畴壁。

如上所述，面内磁化膜中的磁畴壁移动由β项驱动，而垂直磁化膜中的磁畴壁移动可以由自旋矩项驱动。不管哪一种情况都可以进行磁畴壁移动，但是在磁畴壁从阈值磁场的某钉扎势退钉扎的情况下，适合采用自旋矩项驱动。图4表示该状态。

图4为通过式(1)的微磁学计算对从某钉扎势进行退钉扎所需的磁场(退钉扎磁场(Depinning magnetic field)：H)和电流密度(退钉扎电流密度(Depinning current density)：u)进行模拟的结果。其中，钉扎势是通过在元件上设置大小不同的五种缺口而形成。图4表示在膜厚为5nm和20nm的面内磁化膜及膜厚为2nm和20nm的垂直磁化膜中的计算结果。可以看出，如图4所示，垂直磁化膜相比面内磁化膜，退钉扎磁场约大一个数量级，而退钉扎电流密度约小一个数量级。这适合于制造热稳定性及抗外磁场耐性高、写入电流密度减小的MRAM。

此外，进一步详细说明图4，可知在面内磁化膜中退钉扎所需的电流密度随着膜厚的变薄而增加，而在垂直磁化膜中退钉扎所需的电流密度随着膜厚的变薄而减小。图5对此进行详细研究的结果。从图5可知，在垂直磁化膜的情况下，膜厚变薄时退钉扎所需的电流较大幅减小。发明人通过微磁学计算发现该现象起因于以下原因：在面内磁化膜中膜厚变薄时，作用于磁畴壁内的磁矩1上的磁各向异性在线宽方向和膜面垂直方向上的差变大，而在垂直磁化膜中膜厚变薄时，线宽方向和细线长度方向的差变小。使磁化自由层的膜厚变薄时，写入所需的电流的绝对值降低，并且在垂直磁化膜中，膜厚的降低引起写入电流密度的降低，从这一点而言，也可以说比面内磁化膜优越。

在这里，图5中左侧的纵轴表示由式(2)定义的电流密度u的值，右侧的纵轴表示M_S＝500[emu/cm³]、P＝0.5时的电流密度j的值。一般在使用1×10⁸[A/cm²]以上的电流密度的情况下，电子移动等影响明显，因此实际上不适用于MRAM的存储单元。如图5所示，膜厚在20nm以下时，退钉扎所需的电流密度在1×10⁸[A/cm²]以下，因此在制造使用了垂直磁化膜的磁畴壁移动式MRAM时，优选磁化自由层10的膜厚在20nm以下。

并且，在写入电流密度大的情况下，除电子移动之外，还可能受热影响等。图6为通过测定电阻的上升而对在磁性材料上施加电流时的温度上升进行估算的结果。当考虑动作保障温度、MTJ的可靠性、元件的寿命时，优选的是在MRAM上写入时的温度上升在120℃以下，更为优选的是在60℃以下。如图6所示，电流密度分别为0.7×10⁸[A/cm²]、0.6×10⁸[A/cm²]的时候温度上升成为120℃及60℃，从图5中可以看出，这种电流密度下能够退钉扎的膜厚范围分别在10nm、8nm以下。即，磁化自由层10的膜厚优选在10nm以下，更为优选在8nm以下。

并且，优选磁化自由层10的膜厚为约1nm以上。这是因为，膜厚为约1nm以下时，室温下很难维持稳定的垂直磁化(参照AppliedPhysics Letters，vol.90，132507，(2007))。

(读取方法)

接着，参照图7A、图7B，对本实施方式中从磁阻效应元件80读取数据的情况进行说明。如上所述，在本实施方式中，通过磁畴壁移动部13的磁化方向存储数据，并且磁畴壁移动部13通过分隔层20与第一磁化固定层30连接。从磁阻效应元件80读取数据时利用磁阻效应。由于磁阻效应，由磁化自由层10、分隔层20、和第一磁化固定层30构成的磁性隧道结(或者自旋阀)的电阻值根据磁畴壁移动部13的磁化方向的不同而不同。因此，通过在磁化自由层10和第一磁化固定层30之间流动电流，能够读取数据。例如，图7A所示，磁化自由层10中的磁畴壁移动部13的磁化方向和第一磁化固定层30的磁化方向平行时实现了低电阻状态，而如图7B所示，磁畴壁移动部13的磁化方向和第一磁化固定层30的磁化方向反向平行时实现了高电阻状态。

(第一实施方式的磁阻效应元件的优点)

本实施方式的磁阻效应元件80的热稳定性、抗外磁场耐性优异，写入所需的电流小，并且定标性优秀。这是由磁化自由层10的磁化方向朝向垂直方向、并且其膜厚的降低带来的。在这里表示出对通过使用面内磁化膜的磁畴壁移动进行写入的磁性随机存取存储器和通过使用垂直磁化膜的磁畴壁移动进行写入的磁性随机存取存储器的元件特性进行估算比较的结果。

首先，在使用面内磁化膜的磁畴壁移动元件中，将元件宽度(w)设为100nm，膜厚(t)设为10nm，磁畴壁钉扎部宽度的一半(q₀)设为40nm，并且将饱和磁化强度(M_S)设为800[emu/cm³]，自旋极化率(P)设为0.7，磁畴壁钉扎部的阈值磁场(H_C)设为50[Oe]。另外，在使用垂直磁化膜的磁畴壁移动元件中，将元件宽度(w)设为100nm，将膜厚(t)设为2nm，将磁畴壁钉扎部宽度的一半(q₀)设为15nm，并且将饱和磁化强度(M_S)设为500[emu/cm³]，自旋极化率(P)设为0.5，磁畴壁钉扎部的阈值磁场(H_C)设为1000[Oe]。其中，钉扎部的宽度为使用微磁学模拟得到的值。

在假定如上所述的值的情况下，首先能够用M_SH_Cq₀wt估算系统的能量势垒的大小(ΔE)，其结果，作为热稳定性指标的ΔE/k_BT在面内磁化膜、垂直磁化膜中均为40。在这里，K_B为玻耳兹曼常数，T为绝对温度。

并且，膜厚为10nm、阈值磁场为50Oe的面内磁化膜的退钉扎电流密度，通过图4能够读取为u＝300[m/s]左右，这大致相当于6×10⁸[A/cm²]。本来，出于发热、电子移动效应的观点，使电流在元件中流动是非现实的，但是在这里为了进行比较而使用该值。此时，面内磁化膜中向元件写入的电流为6[mA]。

另一方面，在垂直磁化膜中将膜厚设为2nm、将阈值磁场设为1000[Oe]时的退钉扎电流密度，通过图4能够读取为u＝10[m/s]左右，这大致相当于2×10⁷[A/cm²]。此时向元件写入的电流为0.04[mA]。由此可得知，通过将垂直磁化膜使用于磁化自由层10，能够实现写入电流的大幅降低。

此外，在这里使用的参数仅仅为基准，也可以使用其他值。因此，写入所需的电流值、热稳定性ΔE/k_BT也会与之对应地发生变化，但是电流值和热稳定性大致连动地变化，因此不会改变如上所述的面内磁化膜和垂直磁化膜中的写入电流的大小关系。

并且，通常在制造MRAM时，需要磁屏蔽等，但是在使用垂直磁化膜的情况下，能够省略磁屏蔽，由此成本也会降低。这是因为，一般的垂直磁化膜的晶体磁各向异性非常大，因此对外磁场的耐性与面内磁化膜相比非常大。

在本实施方式的磁阻效应元件80中，通过降低膜厚，能够减小写入所需的电流密度。因此，本实施方式的磁阻效应元件80能够通过减小膜厚而减轻发热的影响，能够扩大动作保障温度范围，元件的寿命、可靠性也大幅提高。

接着，参照图8、图9及图10，对本实施方式的使用磁阻效应元件80而构成的磁性存储单元90的电路结构及设计进行说明。

图8表示一个磁性存储单元90的电路结构的例子。如上所述，磁阻效应元件80为三端子元件，其三端子中的与第一磁化固定层30上连接的端子与用于读取的地线101连接，另外与磁化自由层10的两端连接的两个端子分别与两个晶体管100a、100b的第一源极/漏极连接。并且，晶体管100a、100b的第二源极/漏极与用于写入的位线102a、102b连接，并且栅极与字线103连接。进而，图8所示的磁性存储单元90，配置成阵列状，与外围电路连接，由此构成磁性随机存取存储器。

接着，对图8所示的磁性存储单元90的写入、读取动作进行说明。首先，在进行写入的情况下，将字线103设为“high(高电平)”，将晶体管100a、100b设为“ON(导通)”。并且，将位线102a、102b中的任意一方设为“high”，另一方设为“low(低电平)”。根据将位线102a的哪一个设为“high”，哪一个设为“low”，在磁化自由层10中流动的电流的方向发生变化，因此能够向磁阻效应元件80写入数据。

并且，在读取时，将字线103设为“high”，将晶体管100a、100b设为“ON”。并且，将位线102a、102b中的任意一方设为“high”，另一方设为“open(开路)”。此时，从位线102a、102b的任意一方贯通磁阻效应元件80的电流朝地线101流动，因此能够根据磁阻效应进行高速读取。但是，图8所示的电路及在此叙述的电路的设定不过是实施本发明的方法的一个例子，还可通过其他电路结构进行实施。

具有图8所示电路结构的磁性存储单元90可以用图9、图10所示的设计实现。图9为表示磁性存储单元90的设计例的x-y俯视图，图10为表示图9的A-B-C-D剖面的剖视图。如图10所示，在基板100上形成有NMOS晶体管100a、100b。如图9所示，NMOS晶体管100a、100b的栅极在y轴方向上延伸设置，并用作字线103。返回到图10，NMOS晶体管100a的一方的源极/漏极111a通过接触件112和布线层113而与磁化固定层15a连接，另一方的源极/漏极111b通过接触件114和布线层115而与位线102a连接。另外，NMOS晶体管100b的一方的源极/漏极116a通过接触件117和布线层118而与磁化固定层15b连接，另一方的源极/漏极116b通过接触件119和布线层120而与位线102b连接。如图9所示，位线102a、102b在y轴方向上延伸设置。

再次参照图10，在磁阻效应元件80的磁化固定层30上形成有电极层121，电极层121通过接触件121与地线101连接。如图9所示，地线101在x轴方向上延伸设置。这种设计适合减小磁性存储单元90的面积。

但是，在这里表示的不过是一个例子，还可使用其他设计形成磁性存储单元90。例如，在图9、图10中，NMOS晶体管100a、100b沿着y轴方向设置，但是NMOS晶体管100a、100b还可沿着x轴方向设置。此时，优选的是，字线103以与NMOS晶体管100a、100b的栅极连接的方式形成突起。

(第二磁化固定层15a、15b的磁化固定方法)

在本实施方式的磁阻效应元件80中，磁化自由层10的磁化固定部11a、11b的磁化在膜面垂直方向上固定为大致彼此反向平行。该磁化固定可通过与磁化固定部11a、11b相邻设置的第二磁化固定层15a、15b来实现。在这里，对使用第二磁化固定层15a、15b固定磁化固定部11a、11b的磁化的方法进行说明。

图11A至图11F为通过磁化固定层15a、15b固定磁化固定部11a、1b的磁化的方法的说明图。在这里表示的任意一种磁化固定方法，均基于以下情况：对第二磁化固定层15a、15b设置矫顽力差，最初施加非常大的磁场，由此对齐两个第二磁化固定层15a、15b的磁化方向，之后施加适当大小的磁场，由此只将第二磁化固定层15a、15b中的一方进行反转。即，图11A至图11F所示的六种方法中的任意一个，都是用于在一方第二磁化固定层15a和另一方第二磁化固定层15b之间设置矫顽力差的具体方法。

其中，图11A为一方第二磁化固定层15a和另一方第二磁化固定层15b由不同的材料构成的例子。在这里，在两种不同材料的矫顽力之间有差异。这可通过构成元件及组成来实现，或者可以通过晶体结构及缺点等的结构、组织要素来实现。

并且，图11B为一方第二磁化固定层15a和另一方第二磁化固定层15b以易磁化轴的方向不同的方式构成的例子。此时，将两个第二磁化固定层15a、15b的磁化方向大致朝相同的方向对齐，之后朝仅使一方第二磁化固定层磁化反转的方向施加磁场，由此能够实现第二磁化固定层15a、15b的磁化状态即大致反向平行的状态。这种易磁化轴的不同可通过晶体磁各向异性来实现，还可通过形状磁各向异性来实现。

图11C为一方第二磁化固定层15a和另一方第二磁化固定层15b以膜厚不同的方式构成的例子。此时，一方第二磁化固定层15b与另一方第二磁化固定层15a相比，膜厚设置得厚，但是，一般膜厚较厚时垂直方向的矫顽力变大。因此，通过如上所述的两步骤的起磁工艺，能够实现第二磁化固定层15a、15的磁化状态即大致反向平行的状态。

图11D为与第二磁化固定层15a、15b的一方(在图11D的情况下为第二磁化固定层15b)相邻地设有钉扎层16的例子。作为钉扎层16的材料，除了磁各项异性大的强磁性材料之外，还可使用反强磁性体材料。由此也能实质性地设置矫顽力差，因此通过如上所述的两步骤的起磁工艺，能够实现第二磁化固定层15a、15b的磁化状态即大致反向平行的状态。其中，在图11D中，钉扎层16与第二磁化固定层15b的和磁化自由层10相反侧的面接触而设置，但是实际上，只要与第二磁化固定层15b接触即可，其位置是任意的。

图11E为两个第二磁化固定层15a、15b在x-y面内以面积不同的方式构成的例子。进行微磁学计算的结果可知，在x-y面内的面积越大反转磁场越小。因此，一方第二磁化固定层(在图11E的情况下为第二磁化固定层15a)的矫顽力比另一方第二磁化固定层(在图11E的情况下为第二磁化固定层15b)的矫顽力小，因此通过如上所述的两阶段的起磁工艺，能够实现第二磁化固定层15a、15b的磁化状态即大致反向平行的状态。

图11F为第二磁化固定层15a、15b中的至少一个在x-y面内以不同的形状形成的例子。此时，除图11F的z轴方向的磁场之外，还施加x-y面内方向的磁场，由此通过如上所述的两阶段的起磁工艺，能够实现第二磁化固定层15a、15b的磁化状态即大致反向平行的状态。根据微磁学计算可知，在具有垂直磁各向异性并且具有各向不同的形状的磁性体中，向垂直方向施加磁性体的长轴方向的磁场时，比施加短轴方向的磁场时的矫顽力变小。从而，由于在图11F的情况下，一方第二磁化固定层15a在y轴方向上具有长轴，另一方第二磁化固定层15b在x轴方向上具有长轴，因此，例如最初将两个第二磁化固定层15a、15b的磁化都朝+z方向大致对齐后，施加具有-z方向成分和x轴方向成分的适当大小的磁场，由此能够只将第二磁化固定层15b的磁化进行反转。在这里，第二磁化固定层15的形状为长方形，但是只要在x-y面内具有各向异性，则可以取任意的形状。

并且，虽然没有进行图示，但是设置三个以上的第二磁化固定层也能实质性地设置矫顽力差。并且，还可通过除上述之外的其他方法，对第二磁化固定层15a、15b设置矫顽力差，从而实现第二磁化固定层15a、15b的磁化状态即大致反向平行的状态。另外，还可以组合上述的六种方法来使用。

(材料)

在这里，例示构成磁阻效应元件80的各层的材料。另外，这里所示出的材料均为例子，实际上只要能实现图1A至图1C所示的磁化状态，则可以使用任何材料。

表1、表2表示，对第二磁化固定层15和磁化自由层10所相关的能实现图1A至图1C所示的磁化状态的材料特性的范围进行微磁学模拟的结果。具体地说，表1表示构成第二磁化固定层15的材料的特性的允许范围，表2表示构成磁化自由层10的材料的特性的允许范围。表1、表2的两种情况下，表中记载有“○”的栏表示实现了图1A至图1C所示的磁化状态，记载有“×”的栏表示没有实现图1A至图1C所示的磁化状态的范围。更具体地说，在表1的情况下可知，在记载有“×”的栏中，第二磁化固定层15不是大致均匀地朝垂直方向磁化的单磁区结构，而是构成多磁区结构。并且在表2的情况下可知，在记载有“×”的栏中，磁化自由层10的至少一部分的磁化不是朝垂直方向，而是朝面内方向。并且，在表1、表2中表示了对饱和磁化强度(M_S)和垂直方向的磁各向异性常数(K_U)进行研究的结果。

表1

表2

首先，从表1可知，对于第二磁化固定层15a、15b，在饱和磁化强度(M_S)小且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)大时，能够实现图1A至图1C所示的磁化状态。尤其可知，在饱和磁化强度(M_S)在1200[emu/cm³]以下、并且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)在1×10⁷[erg/cm³]以上时，或饱和磁化强度(M_S)在800[emu/cm³]以下、并且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)在5×10⁶[erg/cm³]以上时，能够实现图1A至图1C所示的磁化状态。

并且，从表2可知，对于磁化自由层10，在饱和磁化强度(M_S)小、并且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)大时，能够实现图1A至图1C所示的磁化状态。尤其可知，在饱和磁化强度(M_S)在800[emu/cm³]以下、并且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)在6×10⁶[erg/cm³]以上时，或磁饱和强度(M_S)在600[emu/cm³]以下、并且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)在4×10⁶[erg/cm³]以上时，或饱和磁化强度(M_S)在400[emu/cm³]以下、并且垂直方向的磁各向异性常数(K_U)在2×10⁶[erg/cm³]以上时，能够实现图1A至图1C所示的磁化状态。

具体材料例如下。首先，磁化自由层10、第一磁化固定层30、及第二磁化固定层15的材料优选的是，包含选自Fe、Co、Ni中的至少一种材料。并且，可以包含Pt、Pd来稳定垂直磁各向异性。在此基础上，可以通过添加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等来进行调整，以实现所希望的磁特性。例如有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等。除此之外，通过使包含选自Fe、Co、Ni中的任意一种材料的层与不同的层层叠，还能够实现垂直方向的磁各向异性。具体例如Co/Pd、Co/Pt、Co/Ni、Fe/Au的层叠膜等。

分隔层20优选的是由绝缘体构成。作为分隔层20的材料，具体例如有Mg-O、Al-O、Al-N、Ni-O、Hf-O等。但是，使用其他半导体、金属材料也可以实施本发明。具体例如有Cr、Al、Cu、Zn等。

第二实施方式

图12A、图12B示意性地表示本发明第二实施方式的磁阻效应元件80的结构、尤其表示磁化自由层10的结构。第二实施方式的磁阻效应元件80中，磁化自由层10中的磁畴壁钉扎部12a、12b能够更强地约束磁畴壁。

如图12A所示，磁畴壁的强约束可以通过调整x-y面内的平面形状来实施。图12A为在磁化自由层10上形成缺口的实施方式，但是还可设置其他突起等。并且如图12B、图12C所示，还可通过调整x-z剖面的剖面形状，将磁畴壁较强地约束于磁畴壁钉扎部12a、12b。如图12C所示，也可以仅使构成磁畴壁钉扎部12的部分具有台阶形，如图12C所示，也可以在磁化固定部11上设置台阶。并且，如图12D所示，使磁化固定部11在y轴方向上偏离，也能形成磁畴壁的约束部。

除此之外，虽然没有进行图示，但是通过使磁畴壁钉扎部12a、12b的磁特性相对于磁畴壁移动部13、磁化固定部11发生变化，也能约束磁畴壁。这种磁特性的变化，能够通过使用不同的材料来实施，或注入不同元素或导入缺陷等来实施。

第三实施方式

图13A至图13D示意性地表示本发明第三实施方式的磁阻效应元件80的结构、尤其表示磁化自由层10的结构。第三实施方式涉及磁化自由层10的形状，尤其用于实现稳定的二值状态。

在垂直磁化膜的情况下，磁畴壁在磁畴壁移动部13的中央停止的状态并不会引起不稳定。这种状态为“0”和“1”的中间状态，必须回避这种状态。但是，磁畴壁为了使系统整体的能量下降，试图朝面积尽可能变小的方向移动。因此，若磁畴壁移动部13的中央附近比其他部分宽度大时，该处不稳定，因此能够回避如上所述的中间状态。图13A至图13D所示的示意图均基于这种概念。并且，如图13D所示，通过使磁化固定部11a、11b随着靠向两端而变宽，能够使因写入电流引起磁畴壁移动时越过磁畴壁钉扎部12a、12b的磁畴壁在电流被切断时返回至磁畴壁的钉扎部。

第四实施方式

图14A、图14B示意性地表示本发明第四实施方式的磁阻效应元件80的结构。第四实施方式涉及磁化自由层10及第二磁化固定层15的衬底层。

Journal of Magnetism and Magnetic Materials，vol.247，pp.153-158，(2002)中记载有如下内容：在垂直磁各向异性材料中，根据其衬底层的不同选择，磁性层的垂直方向的磁特性大幅变化。因此，可以如图14所示在磁化自由层10的下方设置衬底层40，也可以如图14B所示在第二磁化固定层15的下方设置衬底层41。并且，衬底层40及衬底层41也可以为通过由不同材料形成的多个膜构成的多层膜。优选的是，将衬底层40及衬底层41的结构、组织控制为，使在其上方成膜的磁性层的晶体易磁化轴朝所希望的方向生长。

作为衬底层40及衬底层41的材料，除Ti、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等之外，还可以使用它们的氧化物、氮化物及Co-Cr-Pt-Ta等。

在这里，优选的是，磁化自由层10的衬底层40比磁化自由层10所使用的材料的电阻高。这是为了降低写入电流向衬底层40分流。这可以通过使衬底层40的膜厚与磁化自由层10相比足够薄来实现，还可以通过衬底层40选用与磁化自由层10所使用的材料相比电阻率足够大的材料来实现。

并且，尤其优选该衬底层40由具有磁矩的材料(即磁性体)构成。这是因为能够在磁化自由层10和第二磁化固定层15之间通过衬底层40实现牢固的磁结合。所述的Co-Cr-Pt-Ta适用于这一点。

第五实施方式

图15示意性地表示本发明第五实施方式的磁阻效应元件80的结构。在第五实施方式中，为了稳定地固定第一磁化固定层30的磁化，与第一磁化固定层30相邻地设置钉扎层50。其中，在图15中，钉扎层50与第一磁化固定层30的和分隔层20相反侧的面接触，但是实际上只要与磁化固定层30接触即可，其位置是任意的。

钉扎层50的材料可以使用反强磁性体等。具体例如有Pt-Mn、Ir-Mn、Fe-Mn、Ni-Mn、Mn-Rh等。

第六实施方式

图16示意性地表示本发明第六实施方式的磁阻效应元件的结构。在第六实施方式中，在磁化自由层10和第二磁化固定层15的分界面中的至少一部分上插入有高极化层60。

在使用自旋矩项的电流驱动磁畴壁移动中，优选的是，使在磁性体中流动的传导电子的自旋极化率尽可能高。在本实施方式中，高极化层60由自旋极化率高的材料构成，通过使用这种材料能够提高传导电子的自旋极化率。由此，能够降低写入电流、提高写入速度。

其中，高极化层60的材料可以使用具有垂直磁各向异性的材料，但是即使是具有面内方向的磁各向异性的材料，其膜厚足够薄的话，通过与第二磁化固定层15、磁化自由层10的磁性彼此作用，也能够在膜面垂直方向进行磁化，不会扰乱系统的磁化状态。具体例如有Co、Fe、Co-Fe等，通过在它们中添加其他元素，还可以进行调整，以获得所希望的特性。

第七实施方式

图17示意性地表示本发明第七实施方式的磁阻效应元件80的结构。在第七实施方式中，在分隔层20和磁化自由层10或第一磁化固定层30的分界面中的至少一部分上插入高极化层70或高极化层71。

在本发明中为读取信息而应用磁阻效应，但是此时构成信息存储层的磁化自由层10和构成参照层的第一磁化固定层30的自旋极化率越高越显现出高磁阻效应比，从而能获得大的读取信号。在本变形例中，通过在分隔层20的分界面上插入高极化层70或高极化层71，能够显著增大给磁阻效应带来影响的磁化自由层10及第一磁化固定层30的自旋极化率，结果能够获得高磁阻效应比。

其中，高极化层70或高极化层71的材料可以使用具有垂直磁各向异性的材料，但是即使是具有面内方向的磁各向异性的材料，若其膜厚足够薄的话，通过与第一磁化固定层30、磁化自由层10的磁性彼此作用，也能够在膜面垂直方向上进行磁化，不会扰乱系统的磁化状态。作为具体使用的材料，例如有Co、Fe、Co-Fe等，通过在它们中添加其他元素，还可以进行调整，以获得所希望的特性。

并且，在图17中，作为分隔层20生长的衬底的高极化层70，根据所使用的材料的不同选择，还能够起到控制特定分隔层20的晶体取向的控制层的作用。例如近年有过如下的报告：在磁结合中，在使用(001)取向的MgO作为绝缘层时，显现出非常大的磁阻效应比，该MgO的(001)取向例如可通过高极化层70选用Co-Fe-B来实现。

第八实施方式

图18A、图18B示意性地表示本发明第八实施方式的磁阻效应元件80的结构。图18A为第八实施方式的磁阻效应元件80的透视图，图18B为x-z剖视图。在第八实施方式中，在磁化自由层10的至少除了与第二磁化固定层15接触的部分以外的面通过分隔层20与第一磁化固定层30连接。

在上述的实施方式中，在写入数据时，直接在磁化自由层10上使电流流动，但是此时有可能存在由于磁化自由层10的发热而引起动作不稳定、元件寿命降低的问题。在这里，磁化自由层10的尽可能大的面与热传导率高的材料接触时容易散热，从而能够降低发热的影响。另外，在图18A、图18B中，在磁化自由层10的与第二磁化固定层15接触的面的相反侧面的整个面上通过分隔层20与第一磁化固定层30接触，但是分隔层20及第一磁化固定层30的形状及配置是任意的。

第九实施方式

图19A、图19B示意性地表示本发明第九实施方式的磁阻效应元件80的结构。第九实施方式涉及磁化自由层10、分隔层20、及第一磁化固定层30的层叠顺序。在图10中，磁化自由层10相对于第一磁化固定层30配置在基板110一侧，但是在本实施方式中，第一磁化固定层30相对于磁化自由层10配置在基板一侧。

并且，图19A的结构仅将图1A的结构进行了倒置，但是在本实施方式中，如图19B所示，磁化自由层10还可以在第一磁化固定层30的x-y平面内。在使用如图19B所示结构的情况下，除能降低如在第八实施方式中所述的发热的影响之外，还能降低从第一磁化固定层30到磁化自由层10的磁通量的影响。

第十实施方式

图20A至图20C示意性地表示本发明第十实施方式的磁阻效应元件80的结构。第十实施方式涉及第二磁化固定层15a、15b的位置。

在图1C中，第二磁化固定层15a、15b与磁化自由层10的两端接触，并且第二磁化固定层15a、15b设置在与分隔层20相反侧的面，但是第二磁化固定层15a、15b的位置只要在磁化自由层10的两端附近接触即可，其位置是任意的。例如，如图20A所示，可以配置在从磁化自由层10的两端朝内侧稍稍偏离的位置，如图20B所示，还可以在与磁化自由层10相同的面上横向配置，如图20C所示，还可以相对于磁化自由层10配置在与分隔层20接触的面相同的面上。并且，如图20B所示，在第二磁化固定层15形成在与磁化自由层10相同的面的情况下，可以如图20B所示相对于磁化自由层10在x方向上相邻设置，也可以在y方向上即纸面的近前-里侧方向上相邻设置。

并且，如图20A所示，在配置于从磁化自由层10的两端朝内侧稍稍偏离的位置的情况下，即使在写入时磁畴壁越过磁畴壁钉扎部12，磁化自由层10中的与第二磁化固定层15接触的位置的外侧区域也会保留原来的磁化状态。因此，在切断写入电流时，能够恢复到正常状态即图2A或图2B中的任意一种状态。图20A所示的结构，例如通过采用图13D所示的平面形状，能够期待更大的效果。

以上，参照实施方式对本发明进行了说明，但是本发明不限于上述的实施方式。本发明的结构及具体情况可在本发明的范围内进行本领域技术人员能够理解的各种变更。尤其在技术上不产生矛盾的前提下，第一实施方式至第十实施方式中的两种以上实施方式能够同时适用在一个磁阻效应元件上。

本申请要求2007年6月25日申请的日本专利申请特愿2007-166079号的优先权，其公开的全部内容引用到本说明书中。

Claims (26)

1.一种磁阻效应元件，

具有：磁化自由层；

分隔层，与所述磁化自由层相邻设置；

第一磁化固定层，与所述分隔层相邻地设置在与所述磁化自由层相反的一侧；以及

至少两个第二磁化固定层，与所述磁化自由层相邻设置，

所述磁化自由层、所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层具有与膜面大致垂直的方向的磁化成分，

所述磁化自由层具有：两个磁化固定部；和配置在所述两个磁化固定部之间的磁畴壁移动部，

所述两个磁化固定部中的一方与所述至少两个第二磁化固定层中的一个相邻，

所述两个磁化固定部中的另一方与所述至少两个第二磁化固定层中的另一个相邻，

所述第一磁化固定层的至少一部分被设置为与所述磁畴壁移动部的至少一部分重叠，

构成所述磁化自由层的所述两个磁化固定部的磁化，在与膜面大致垂直的方向上被固定为彼此大致反向平行，

所述磁畴壁移动部具有与膜面垂直的方向的磁各向异性。

2.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，

在向所述磁阻效应元件写入信息时，写入电流经由第二磁化固定层供给到所述磁化自由层。

3.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层的膜厚为1nm以上且20nm以下。

4.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层的膜厚为1nm以上且10nm以下。

5.如权利要求1所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层的膜厚为1nm以上且8nm以下。

6.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

所述至少两个第二磁化固定层的矫顽力彼此存在差异。

7.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，

所述至少两个第二磁化固定层由彼此不同的材料形成。

8.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，

所述至少两个第二磁化固定层的易磁化轴被设定在彼此不同的方向上。

9.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，

所述至少两个第二磁化固定层的膜厚彼此不同。

10.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，

与所述至少两个第二磁化固定层中的至少一个相邻地设置有钉扎层。

11.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，

所述至少两个第二磁化固定层的尺寸彼此不同。

12.如权利要求6所述的磁阻效应元件，其中，

所述至少两个第二磁化固定层的形状彼此不同。

13.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层、所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层中的至少一个层由具有垂直方向的晶体磁各向异性的材料构成。

14.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层、所述第一磁化固定层及所述第二磁化固定层中的至少一个层由包含强磁性层在内的至少两个以上的层的层叠膜构成。

15.如权利要求13所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层由饱和磁化强度为800[emu/cm³]以下且磁各向异性常数为6×10⁶[erg/cm³]以上的材料形成。

16.如权利要求13所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层由饱和磁化强度为600[emu/cm³]以下且磁各向异性常数为4×10⁶[erg/cm³]以上的材料形成。

17.如权利要求13所述的磁阻效应元件，其中，

所述磁化自由层由饱和磁化强度为400[emu/cm³]以下且磁各向异性常数为2×10⁶[erg/cm³]以上的材料形成。

18.如权利要求13所述的磁阻效应元件，其中，

所述第二磁化固定层由饱和磁化强度为1200[emu/cm³]以下且磁各向异性常数为1×10⁷[erg/cm³]以上的材料形成。

19.如权利要求13所述的磁阻效应元件，其中，

所述第二磁化固定层由饱和磁化强度为800[emu/cm³]以下且磁各向异性常数为5×10⁶[erg/cm³]以上的材料形成。

20.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

在所述磁化自由层和所述第二磁化固定层的分界面中的至少一部分上设置有由自旋磁化率比所述磁化自由层和所述第二磁化固定层的自旋磁化率高的材料形成的高极化层。

21.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

在所述磁化自由层和所述分隔层的分界面中的至少一部分上设置有由自旋磁化率比所述磁化自由层的自旋磁化率高的材料形成的高极化层，或者在所述第一磁化固定层和所述分隔层的分界面中的至少一部分上设置有由自旋磁化率比所述第一磁化固定层的自旋磁化率高的材料形成的高极化层。

22.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

在由MgO形成的所述分隔层所生长的面上设置有由Co-Fe-B形成的控制层。

23.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

所述第一磁化固定层的外周与所述磁化自由层的外周相比大致相同，或在所述磁化自由层的外周的外侧。

24.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

所述第二磁化固定层在所述磁化自由层的端部的内侧与所述磁化自由层连接。

25.如权利要求3所述的磁阻效应元件，其中，

衬底层在基板侧与所述磁化自由层相邻设置，

所述衬底层具有磁矩。

26.一种磁性随机存取存储器，

具有存储单元，该存储单元具有如权利要求1至25中任一项所述的磁阻效应元件。

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