CN115458678A - 磁畴壁移动元件和磁阵列 - Google Patents

磁畴壁移动元件和磁阵列 Download PDF

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CN115458678A CN202210636023.6A CN202210636023A CN115458678A CN 115458678 A CN115458678 A CN 115458678A CN 202210636023 A CN202210636023 A CN 202210636023A CN 115458678 A CN115458678 A CN 115458678A
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山田章悟
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Abstract

本发明提供磁畴壁移动元件和磁阵列。本发明的磁畴壁移动元件包括磁阻效应部、第1电极、第2电极、第3电极、第1磁化固定层和第2磁化固定层。所述磁阻效应部包括参照层、磁畴壁移动层和非磁性层。所述磁畴壁移动层包括：磁化方向被固定的第1区域和第2区域；和磁化方向可变的第3区域。所述参照层在从第1方向俯视时与所述第1区域和所述第2区域中的至少一部分重叠，所述第1区域和所述第2区域中的至少一者的一部分在与所述第1方向和第2方向正交的第3方向上的长度比所述第3区域短。

Description

磁畴壁移动元件和磁阵列
技术领域
本发明涉及磁畴壁移动元件和磁阵列。本申请以2021年6月9日在日本申请的特愿2021-96973为基础要求优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
代替在微细化方面逐渐可见极限的闪存等的下一代的非易失性存储器正在受到关注。例如，MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory：磁阻式随机存取存储器)、ReRAM(Resistive Random Access Memory：电阻式随机存取存储器)、PCRAM(Phase ChangeRandom Access Memory：相变随机存取存储器)等作为下一代的非易失性存储器为人们所知。
MRAM是将因磁化方向的变化而产生的电阻值变化用于数据记录。为了实现记录存储器的大容量化，正在研究构成存储器的元件的小型化、构成存储器的每个元件的记录位的多值化。
专利文献1公开了一种磁畴壁移动元件，其能够通过使磁畴壁移动而使电阻值变化，多值地或数字地记录数据。另外，专利文献1公开了在数据记录层(磁畴壁移动层)中设置磁畴壁能够移动的磁畴壁移动区域和用于限制磁畴壁的移动范围的磁化固定区域。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-219104号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
磁畴壁移动元件大多集成地使用。为了提高磁畴壁移动元件的集成性，优选设置在磁畴壁移动层的两端的磁化固定区域与磁畴壁移动元件的参照层重叠。但是，在这样的结构中，存在形成不经由磁畴壁移动层的磁畴壁能够移动的磁畴壁移动区域而从参照层向磁化固定区域去的电流路径的情况。当在该路径中流动电流时，作为最大电阻值与最小电阻值之比的MR比降低。MR比低的磁畴壁移动元件在精细地控制磁畴壁位置的情况下，无法确保充分的电阻值的变化幅度，无法准确地检测电阻值的变化。即，难以使磁畴壁移动元件的多值数据记录的位数(bit number)增多。
本发明是鉴于上述问题而做出的，其目的在于提供MR比大的、能够使多值数据记录的位数增多的磁畴壁移动元件和磁阵列。
用于解决技术问题的手段
(1)第1方式的磁畴壁移动元件包括磁阻效应部、第1电极、第2电极、第3电极、第1磁化固定层和第2磁化固定层。所述磁阻效应部包括：包含铁磁性体的参照层；包含铁磁性体的磁畴壁移动层；和在第1方向上被所述参照层和所述磁畴壁移动层夹着的非磁性层。所述磁畴壁移动层在与所述第1方向正交的第2方向上延伸。所述磁畴壁移动层包括：磁化方向被固定的第1区域；磁化方向被固定在与所述第1区域的磁化方向不同的方向上的第2区域；和在所述第2方向上位于被所述第1区域和所述第2区域夹着的位置且磁化方向可变的第3区域。所述第1电极与所述第1区域电连接。所述第2电极与所述第2区域电连接。所述第3电极与所述参照层电连接，且在所述第1方向上以所述参照层为基准位于与所述非磁性层相反的一侧。所述第1磁化固定层位于所述第1区域与所述第1电极之间，用于将所述第1区域的磁化固定。所述第2磁化固定层位于所述第2区域与所述第2电极之间，用于将所述第2区域的磁化固定。所述参照层在从所述第1方向俯视时与所述第1区域和所述第2区域中的至少一部分重叠。所述第1区域和所述第2区域中的至少一者的一部分在与所述第1方向和所述第2方向正交的第3方向上的长度比所述第3区域短。
(2)可以是，上述方式的磁畴壁移动元件还包括基片。可以是，所述参照层比所述磁畴壁移动层更靠近所述基片。
(3)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述第1区域和所述第2区域中的至少一者在所述第2方向上的长度比在所述第3方向上的长度长。
(4)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述第1区域和所述第2区域中的至少一者具有：在所述第3方向上的长度比所述第3区域长的第1部分；和在所述第3方向上的长度比所述第3区域短的第2部分。可以是，所述第1部分在所述第2方向上比所述第2部分更靠近所述第3区域。
(5)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述第1区域和所述第2区域中的至少一者，随着从与所述第3区域相连接的第1端向所述第2方向上的相反侧的第2端去，在所述第3方向上的长度逐渐变短。
(6)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述第3区域的所述第2方向上的端部的膜厚大于所述第3区域的所述第2方向上的中央部的膜厚，所述端部的所述第3方向上的长度比所述中央部的所述第3方向上的长度短。
(7)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，在从所述第1方向俯视时，所述第3电极的第1面的外周与所述第1区域和所述第2区域中的至少一者重叠，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
(8)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，在从所述第1方向俯视时，所述磁畴壁移动层包含在所述第3电极的第1面内，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
(9)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述第3电极的第1面的在所述第3方向上最长的部分的长度比所述第1面的在所述第2方向上最长的部分的长度短，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
(10)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，所述第1磁化固定层的膜厚大于所述第2磁化固定层的膜厚，在从所述第1方向俯视时，从所述第3电极的第1面的几何中心至所述第1磁化固定层的距离小于从所述第1面的几何中心至所述第2磁化固定层的距离，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
(11)可以是，在上述方式的磁畴壁移动元件中，在从所述第1方向俯视时，所述第1区域包含在所述第1电极内，所述第1区域的外周与所述第1电极的外周的距离在第1点最短。
(12)第2方式的磁阵列具有多个上述方式的磁畴壁移动元件。
发明效果
上述方式的磁畴壁移动元件和磁阵列，MR比大，能够使多值数据记录的位数增多。
附图说明
图1是第1实施方式的磁阵列的结构图。
图2是第1实施方式的磁阵列的磁畴壁移动元件的附近的截面图。
图3是第1实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图4是第1实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图5是第2实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图6是第3实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图7是第4实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图8是第4实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图9是第5实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图10是第6实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图11是第7实施方式的磁畴壁移动元件的截面图。
图12是第7实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图13是第8实施方式的磁畴壁移动元件的俯视图。
图14是变形例1的磁畴壁移动元件的截面图。
附图标记说明
1…磁畴壁移动层，2…非磁性层，3…参照层，10…磁阻效应部，20、20A…第1磁化固定层，30…第2磁化固定层，40、40A、40B、40C、40D…第3电极，40a、40b、40c、40d…第1面，41…第1电极，42…第2电极，90…绝缘层，100、101、102、103、104、105、106、107、108…磁畴壁移动元件，200…磁阵列，A1、A1A、A1B、A1C…第1区域，A1Aa…第1部分，A1Ab…第2部分，A2…第2区域，A3、A3A…第3区域，CL…第2配线，DW…磁畴壁，RL…第3配线，Sub…基片，SW1…第1开关元件，SW2…第2开关元件，SW3…第3开关元件，w1、w2…配线，WL…第1配线。
具体实施方式
下面，适当参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。在下面的说明中使用的附图，有时为了使得容易理解本发明的特征，方便起见将作为特征的部分放大表示，有时各构成要素的尺寸比例等与实际情况并不相同。在下面的说明中例示的材料、尺寸等是一个例子，本发明并不限于此，可以在能够得到本发明的效果的范围内适当变更而实施。
首先，对方向进行定义。x方向和y方向是与后述的基片Sub(参照图2)的一面大致平行的方向。x方向是后述的磁畴壁移动层1延伸的方向。x方向是第2方向的一个例子。y方向是与x方向正交的方向。y方向是第3方向的一个例子。z方向是从后述的基片Sub向磁畴壁移动元件去的方向。z方向是第1方向的一个例子。在本说明书中，有时将+z方向表示为“上”，将-z方向表示为“下”，但这些表述是为了方便起见，并不是规定重力方向。
另外，对用语进行定义。在本说明书中，“在x方向上延伸”是指结构体在x方向上的长度比在y方向和z方向上的长度长。对于其它方向也是同样。另外，在本说明书中，“连接”并不限于直接连接，例如包括隔着其它层的间接连接。
[第1实施方式]
图1是第1实施方式的磁阵列200的结构图。磁阵列200包括多个磁畴壁移动元件100、多个第1配线WL、多个第2配线CL、多个第3配线RL、多个第1开关元件SW1、多个第2开关元件SW2和多个第3开关元件SW3。磁阵列200例如能够用于磁存储器、乘法累加运算器、神经形态器件、自旋忆阻器、磁光学元件。
第1配线WL各自是写入配线。第1配线WL各自用于将电源与1个以上的磁畴壁移动元件100电连接。电源在使用时可与磁阵列200的一端连接。
第2配线CL各自是共用配线。共用配线是能够在数据的写入时和读出时这两者使用的配线。第2配线CL各自用于将基准电位与1个以上的磁畴壁移动元件100电连接。基准电位例如为接地。第2配线CL可以是对多个磁畴壁移动元件100各自设置，也可以是对多个磁畴壁移动元件100设置。
第3配线RL各自是读出配线。第3配线RL各自用于将电源或基准电位与1个以上的磁畴壁移动元件100电连接。电源在使用时可与磁阵列200的一端连接。
在图1中，多个磁畴壁移动元件100各自与第1开关元件SW1、第2开关元件SW2、第3开关元件SW3连接。第1开关元件SW1分别连接在各个磁畴壁移动元件100与第1配线WL之间。第2开关元件SW2分别连接在各个磁畴壁移动元件100与第2配线CL之间。第3开关元件SW3分别连接在各个磁畴壁移动元件100与第3配线RL之间。
当使规定的第1开关元件SW1和第2开关元件SW2导通时，会在与规定的磁畴壁移动元件100连接的第1配线WL与第2配线CL之间流动写入电流。当使规定的第2开关元件SW2和第3开关元件SW3导通时，会在与规定的磁畴壁移动元件100连接的第2配线CL与第3配线RL之间流动读出电流。
第1开关元件SW1、第2开关元件SW2和第3开关元件SW3各自是控制电流的流动的元件。第1开关元件SW1、第2开关元件SW2和第3开关元件SW3例如是晶体管、双向阈值开关(OTS：Ovonic Threshold Switch)那样利用晶体层的相变的元件、金属绝缘体转移(MIT)开关那样利用能带结构的变化的元件、齐纳二极管和雪崩二极管那样利用击穿电压的元件、传导性随着原子位置的变化而变化的元件。
第1开关元件SW1、第2开关元件SW2、第3开关元件SW3中的任一者可以由与相同的配线连接的磁畴壁移动元件100共用。例如，在共用第1开关元件SW1的情况下，在第1配线WL的上游(一端)设置一个第1开关元件SW1。例如，在共用第2开关元件SW2的情况下，在第2配线CL的上游(一端)设置一个第2开关元件SW2。例如，在共用第3开关元件SW3的情况下，在第3配线RL的上游(一端)设置一个第3开关元件SW3。
图2是第1实施方式的磁阵列200的磁畴壁移动元件100的附近的截面图。图2是将图1中的一个磁畴壁移动元件100利用通过磁畴壁移动层1的y方向的宽度的中心的xz平面截断而得到的截面。
图2所示的第1开关元件SW1和第2开关元件SW2是晶体管Tr。晶体管Tr具有栅极电极G、栅极绝缘膜GI以及形成在基片Sub上的源极S和漏极D。源极S和漏极D是由电流的流动方向规定的，均为有源区域。图2只是表示一个例子，源极S与漏极D的位置关系可以反转。基片Sub例如是半导体基片。第3开关元件SW3与第3配线RL电连接，例如在图2中位于在y方向上错开的位置。
晶体管Tr各自与磁畴壁移动元件100经由配线w1、w2电连接。配线w1、w2包含具有导电性的材料。配线w1是在z方向上延伸的过孔(via)配线。配线w2是在xy面内的任一方向上延伸的面内配线。配线w1、w2形成在绝缘层90的开口内。
绝缘层90是用于使多层配线的配线之间或元件之间绝缘的绝缘层。绝缘层90例如是氧化硅(SiOx)、氮化硅(SiNx)、碳化硅(SiC)、氮化铬(CrN)、碳氮化硅(SiCN)、氧氮化硅(SiON)、氧化铝(Al2O3)、氧化锆(ZrOx)、氧化镁(MgO)等。
在图2中，表示出了磁畴壁移动元件100隔着绝缘层90位于基片Sub的上方的例子，但也可以是磁畴壁移动元件100位于基片Sub上。
[磁畴壁移动元件]
图3是将磁畴壁移动元件100利用通过磁畴壁移动层1的y方向的宽度的中心的xz平面截断而得到的截面图。图3是沿着图4的A-A线的截面。图4是从z方向俯视磁畴壁移动元件100而得到的俯视图。图4中，用虚线表示第1电极41和第2电极42以及第3电极40的与磁阻效应部10重叠的部分。图3所示的箭头是铁磁性体的磁化的取向方向的一个例子。
磁畴壁移动元件100例如是具有磁阻效应部10、第1磁化固定层20、第2磁化固定层30、第1电极41、第2电极42和第3电极40的3端子型的元件。磁畴壁移动元件100的周围被绝缘层90覆盖。
磁阻效应部10包括磁畴壁移动层1、非磁性层2和参照层3。磁畴壁移动元件100例如从靠近基片Sub的一侧起依次包括第3电极40、参照层3、非磁性层2、磁畴壁移动层1、第1磁化固定层20和第2磁化固定层30、第1电极41和第2电极42。参照层3比磁畴壁移动层1更靠近基片Sub，磁畴壁移动元件100被称为底固定结构。在向磁阻效应部10写入数据时，使写入电流沿着磁畴壁移动层1流动。在从磁阻效应元件10读出数据时，使读出电流在第3电极40与第1电极41或第2电极42之间流动，在磁阻效应部10的z方向上施加电流。
磁畴壁移动层1在x方向上延伸。磁畴壁移动层1在内部具有多个磁畴，在多个磁畴的边界具有磁畴壁DW。磁畴壁移动层1例如是能够通过磁状态的变化来磁记录多值数据的层。磁畴壁移动层1有时被称为模拟层、磁记录层。
磁畴壁移动层1具有第1区域A1、第2区域A2和第3区域A3。第1区域A1例如是x方向上的从磁畴壁移动层1的第1端至与第1磁化固定层20的元件内侧端部重叠的位置的区域。第2区域A2例如是x方向上的从磁畴壁移动层1的第1端的相反侧的第2端至与第2磁化固定层30的元件内侧端部重叠的位置的区域。第3区域A3是在x方向上被第1区域A1和第2区域A2夹着的区域。
第1区域A1的磁化MA1例如被固定在与第1磁化固定层20的磁化M20相同的方向上。第2区域A2的磁化MA2例如被固定在与第2磁化固定层30的磁化M30相同的方向上。磁化被固定是指，在磁畴壁移动元件100的通常的动作(没有被施加超过设想的外力)中，磁化不会反转。第1区域A1的磁化MA1和第2区域A2的磁化MA2例如磁化方向相反。
第3区域A3是磁化的方向能够变化、磁畴壁DW能够移动的区域。第3区域A3例如在y方向上的长度大致一定。第3区域A3中，例如，x方向上的端部的膜厚tE大于x方向上的中央部的膜厚tC。第3区域A3的膜厚例如随着从x方向上的中央部向x方向上的端部去而连续地增大。第3区域A3具有第1磁畴A3a和第2磁畴A3b。第1磁畴A3a的磁化MA3a和第2磁畴A3b的磁化MA3b例如磁化方向相反。第1磁畴A3a与第2磁畴A3b的边界为磁畴壁DW。第1磁畴A3a的磁化MA3a例如在与第1区域A1的磁化MA1相同的方向上取向。第2磁畴A3b的磁化MA3b例如在与第2区域A2的磁化MA2相同的方向上取向。磁畴壁DW原则上在第3区域A3内移动，不会侵入第1区域A1和第2区域A2。
如图4所示，第1区域A1的y方向上的长度WA1比第3区域A3的y方向上的长度WA3短。另外，第2区域A2的y方向上的长度WA2比第3区域A3的y方向上的长度WA3短。在此，各区域的y方向上的长度是指各区域的下表面的y方向上的长度与各区域的上表面的y方向上的长度的平均值。在此，表示出了长度WA1和长度WA2两者均比长度WA3短的例子，但也可以是仅长度WA1和长度WA2中的任一者比长度WA3短。第1区域A1例如在x方向上的长度比在y方向上的长度长。另外，第2区域A2也可以是例如在x方向上的长度比在y方向上的长度长。第1区域A1与第3区域A3的边界以及第2区域A2与第3区域A3的边界，例如分别与作为磁畴壁移动层1的延伸方向的x方向大致正交。
当第3区域A3内的第1磁畴A3a与第2磁畴A3b的体积的比例变化时，磁畴壁DW会移动。磁畴壁DW会因使写入电流在第3区域A3的x方向上流动而移动。例如，当对第3区域A3施加+x方向的写入电流(例如，电流脉冲)时，电子向与电流相反的-x方向流动，因此，磁畴壁DW向-x方向移动。在电流从第1磁畴A3a向第2磁畴A3b流动的情况下，在第2磁畴A3b自旋极化的电子使第1磁畴A3a的磁化反转。通过第1磁畴A3a的磁化反转，磁畴壁DW向-x方向移动。
当磁畴壁移动层1中的第1磁畴A3a与第2磁畴A3b的体积的比例变化时，磁畴壁移动元件100的电阻值会变化。磁畴壁移动元件100的电阻值与夹着非磁性层2的铁磁性层的磁化的相对角相应地变化。在图3所示的磁畴壁移动元件100的情况下，磁畴壁移动元件100的电阻值与磁畴壁移动层1的磁化MA1、MA3a、MA3b、MA2与参照层3的磁化M3的相对角相应地变化。当第1磁畴A3a的比例变高时，磁畴壁移动元件100的电阻值变小，当第2磁畴A3b的比例变高时，磁畴壁移动元件100的电阻值变大。通过精细地控制磁畴壁DW的位置，能够精细地控制电阻值，能够进行模拟的多值数据记录。
磁畴壁移动元件100中，参照层3隔着非磁性层2与第1区域A1和第2区域A2重叠。磁化被固定的第1区域A1和第2区域A2对磁畴壁移动元件100的电阻值变化没有贡献。即，当在磁畴壁移动层1中第1区域A1和第2区域A2所占的比例变高时，磁畴壁移动元件100的最大电阻值与最小电阻值之比即MR比降低。
磁畴壁移动层1包含磁性体。磁畴壁移动层1可以是铁磁性体、亚铁磁性体、或者它们与能够利用电流使磁状态变化的反铁磁性体的组合。磁畴壁移动层1优选具有选自Co、Ni、Fe、Pt、Pd、Gd、Tb、Mn、Ge和Ga中的至少一种元素。作为磁畴壁移动层1中使用的材料，例如可以举出Co与Ni的层叠膜、Co与Pt的层叠膜、Co与Pd的层叠膜、CoFe与Pd的层叠膜、MnGa类材料、GdCo类材料、TbCo类材料。MnGa类材料、GdCo类材料、TbCo类材料等亚铁磁性体，饱和磁化小，用于使磁畴壁DW移动所需要的阈值电流小。另外，Co与Ni的层叠膜、Co与Pt的层叠膜、Co与Pd的层叠膜，矫顽力大，磁畴壁DW的移动速度慢。反铁磁性体例如为Mn3X(X为Sn、Ge、Ga、Pt、Ir等)、CuMnAs、Mn2Au等。磁畴壁移动层1可以是由多个层构成。磁畴壁移动层1也能够应用与后述的参照层3同样的材料。
非磁性层2位于磁畴壁移动层1与参照层3之间。非磁性层2例如层叠在参照层3的一面上。
非磁性层2例如由非磁性的绝缘体、半导体或金属构成。非磁性的绝缘体例如是Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4、以及这些的Al、Si、Mg的一部分被置换为Zn、Be等而得到的材料。这些材料带隙大，绝缘性优异。在非磁性层2由非磁性的绝缘体构成的情况下，非磁性层2是隧道势垒层。非磁性的金属例如是Cu、Au、Ag等。非磁性的半导体例如是Si、Ge、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In，Ga)Se2等。
非磁性层2的厚度例如为
Figure BDA0003682073830000101
以上，可以为
Figure BDA0003682073830000102
以上。当非磁性层2的厚度厚时，磁畴壁移动元件100的电阻面积(RA)大。磁畴壁移动元件100的电阻面积(RA)优选为1×104Ωμm2以上，更优选为5×104Ωμm2以上。磁畴壁移动元件100的电阻面积(RA)由一个磁畴壁移动元件100的元件电阻与磁畴壁移动元件100的元件截面积(将非磁性层2利用xy平面截断而得到的截断面的面积)的积表示。
参照层3与磁畴壁移动层1一起夹着非磁性层2。参照层3例如层叠在第3电极40上。参照层3位于在z方向上与磁畴壁移动层1重叠的位置。参照层3位于其至少一部分在z方向上与第1区域A1、第2区域A2、第3区域A3各自重叠的位置。参照层3的磁化M3比磁畴壁移动层1的第3区域A3的磁化MA3a、MA3b难以反转。参照层3的磁化M3在被施加第3区域A3的磁化MA3a、MA3b反转的程度的外力时方向不变化而被固定。参照层3有时被称为磁化固定层。参照层3可以是由多个层构成。例如，可以具有多个铁磁性层和被多个铁磁性层夹着的中间层。夹着中间层的2个铁磁性层可以磁耦合，成为合成反铁磁性结构(SAF)。
参照层3包含铁磁性体。参照层3例如包含容易在与磁畴壁移动层1之间得到相干隧道效应的材料。参照层3例如包括选自Cr、Mn、Co、Fe和Ni中的金属、包含1种以上这些金属的合金、包含这些金属与B、C和N中的至少1种以上的元素的合金等。参照层3例如为Co-Fe、Co-Fe-B、Ni-Fe。
参照层3例如可以是霍伊斯勒合金。霍伊斯勒合金是半金属，具有高的自旋极化率。霍伊斯勒合金是具有XYZ或X2YZ的化学组成的金属间化合物，X在周期表上为Co、Fe、Ni或Cu族的过渡金属元素或贵金属元素，Y为Mn、V、Cr或Ti族的过渡金属或X的元素种，Z为IIIA族至VA族的典型元素。作为霍伊斯勒合金，例如可以举出Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等。
第1磁化固定层20和第2磁化固定层30直接地或间接地与磁畴壁移动层1连接。间接地连接是指在第1磁化固定层20与磁畴壁移动层1之间、第2磁化固定层30与磁畴壁移动层1之间夹着其它层。第1磁化固定层20和第2磁化固定层30例如位于磁畴壁移动层1上。第1磁化固定层20和第2磁化固定层30在x方向上隔开间隔。第1磁化固定层20用于将第1区域A1的磁化MA1固定。第2磁化固定层30用于将第2区域A2的磁化MA2固定。第1磁化固定层20和第2磁化固定层30例如位于在z方向上与非磁性层2和参照层3重叠的位置。
第1磁化固定层20和第2磁化固定层30例如包括铁磁性层。第1磁化固定层20和第2磁化固定层30例如包括与磁畴壁移动层1不同的材料，并且膜结构与磁畴壁移动层1不同。另外，第1磁化固定层20和第2磁化固定层30例如可以是由多个层构成。例如，可以具有多个铁磁性层和被多个铁磁性层夹着的中间层。夹着中间层的2个铁磁性层可以磁耦合，成为合成反铁磁性结构(SAF)。此外，第1磁化固定层20和第2磁化固定层30可以彼此具有不同的膜结构和膜厚。
第3电极40与参照层3电连接。第3电极40例如位于比参照层3靠基片Sub侧的位置。第3电极40例如以参照层3为基准位于与非磁性层2相反的一侧。第1电极41例如经由第1磁化固定层20与第1区域A1电连接。第1磁化固定层20位于第1区域A1与第1电极41之间。第2电极42例如经由第2磁化固定层30与第2区域A2电连接。第2磁化固定层30位于第2区域A2与第2电极42之间。第3电极40、第1电极41、第2电极42例如包含非磁性的导电性材料，包含热传导率比磁畴壁移动层1和参照层3高的材料。另外，第3电极40、第1电极41、第2电极42例如可以是由彼此不同的材料形成。第3电极40、第1电极41、第2电极42例如是在z方向上延伸的过孔配线。
第1实施方式的磁畴壁移动元件100，MR比大，能够使多值数据记录的位数增多。
磁畴壁移动元件100中，如上所述，为了提高集成性，第1区域A1和第2区域A2位于隔着非磁性层2与参照层3在z方向上重叠的位置。第1区域A1和第2区域A2在y方向上的长度比第3区域A3在y方向上的长度短。通过形成为这样的结构，能够使磁畴壁移动层1中的对电阻值的变化没有贡献的第1区域A1和第2区域A2所占的比例降低。即，能够使磁畴壁移动元件100的最大电阻值与最小电阻值之比即MR比增大，使多值数据记录的位数增多。另外，本实施方式的磁畴壁移动元件那样的、为了使多值数据记录的位数增多而将磁化固定区域的宽度形成得比磁畴壁移动区域的宽度细的构思，与为了实现磁化固定功能的稳定化而将磁化固定区域的宽度形成得比磁畴壁移动区域的宽度粗的以往的技术常识相反。
另外，第1实施方式的磁畴壁移动元件100的第1区域A1和第2区域A2在x方向上的长度比在y方向上的长度长。当使第1区域A1和第2区域A2在y方向上的长度比第3区域A3在y方向上的长度短时，数据写入时的电流密度在第1区域A1和第2区域A2比在第3区域A3高。当电流密度提高时，磁畴壁DW会高速地移动。通过使第1区域A1和第2区域A2在x方向上的长度比在y方向上的长度长，能够使磁畴壁移动层1中的第1区域A1和第2区域A2所占的比例降低，并且防止磁畴壁DW到达第1区域A1和第2区域A2的元件外侧端部而导致磁畴壁移动层1整体单磁畴化。
另外，在第1实施方式的磁畴壁移动元件100中，第1区域A1与第3区域A3的边界以及第2区域A2与第3区域A3的边界，分别与作为磁畴壁移动层1的延伸方向的x方向大致正交。通过使第1区域A1与第3区域A3的边界以及第2区域A2与第3区域A3的边界与作为磁畴壁移动层1的延伸方向的x方向正交，能够使磁畴壁DW始终以与y方向接近平行的状态移动。当磁畴壁DW始终以与y方向接近平行的状态移动时，即使在精细地控制磁畴壁DW的位置来使电阻值模拟地变化时，也能够使电阻值的变化量始终一定。
磁畴壁移动元件100的各层的磁化的方向例如能够通过测量磁化曲线来确认。磁化曲线例如能够利用MOKE(Magneto Optical Kerr Effect：磁光克尔效应)进行测量。利用MOKE进行的测量，是通过使线偏振光入射到测量对象物，利用引起其偏振方向的旋转等的磁光效应(磁Kerr效应)来进行的测量方法。
磁畴壁移动元件100可以利用公知的方法制作。形成磁畴壁移动元件100的各层，并将其加工成规定的形状。各层的成膜可以使用溅射法、化学气相沉积(CVD)法、电子束蒸镀法(EB蒸镀法)、原子激光沉积法等。各层的加工可以使用光刻和蚀刻(例如Ar蚀刻)等技术来进行。
(第2实施方式)
图5是从z方向俯视第2实施方式的磁畴壁移动元件101而得到的俯视图。图5中，用虚线表示第1电极41和第2电极42以及第3电极40的与磁阻效应部10重叠的部分。第2实施方式的磁畴壁移动元件101中，第1区域A1、第2区域A2、第1电极41和第2电极42的结构与第1实施方式不同。在第2实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图5所示，第1区域A1A具有第1部分A1Aa和第2部分A1Ab。第1部分A1Aa在y方向上的长度WA1Aa比第3区域A3在y方向上的长度WA3长。第2部分A1Ab在y方向上的长度WA1Ab比第3区域A3在y方向上的长度WA3短。第1部分A1Aa在y方向上的长度WA1Aa比第2部分A1Ab在y方向上的长度WA1Ab长。第1部分A1Aa在x方向上比第2部分A1Ab更靠近第3区域A3。
另外，第2区域A2A具有第1部分A2Aa和第2部分A2Ab。第1部分A2Aa在y方向上的长度WA2Aa比第3区域A3在y方向上的长度WA3长。第2部分A2Ab在y方向上的长度WA2Ab比第3区域A3在y方向上的长度WA3短。第1部分A2Aa在y方向上的长度WA2Aa比第2部分A2Ab在y方向上的长度WA2Ab长。第1部分A2Aa在x方向上比第2部分A2Ab更靠近第3区域A3。
第2实施方式的磁畴壁移动元件101能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。此外，在第1区域A1A中，通过在第3区域A3侧设置在y方向上的长度比第3区域A3长的第1部分A1Aa来降低数据写入时的电流密度，能够防止磁畴壁DW侵入第1区域A1A的内部。
另外，在此表示出了第1区域A1A和第2区域A2A各自具有第1部分和第2部分的例子，但也可以是仅第1区域A1A和第2区域A2A中的任一者具有第1部分和第2部分。
(第3实施方式)
图6是从z方向俯视第3实施方式的磁畴壁移动元件102而得到的俯视图。图6中，用虚线表示第1电极41和第2电极42以及第3电极40的与磁阻效应部10重叠的部分。第3实施方式的磁畴壁移动元件102中，第1区域A1的结构和第3区域A3的结构与第1实施方式不同。在第2实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图6所示，第1区域A1B在y方向上的长度，随着从与第3区域A3A相连接的第1端部e1向x方向上的相反侧的第2端部e2去而逐渐变短。第1区域A1B在y方向上的长度，例如随着从与第3区域A3A相连接的第1端部e1向x方向上的相反侧的第2端部e2去而连续地变化。另外，第3区域A3A中，x方向上的端部的y方向上的长度WA3AE比x方向上的中央部的y方向上的长度WA3AC短。另外，第3区域A3A中，例如与图3所示的第3区域A3同样地，x方向上的端部的膜厚tE大于x方向上的中央部的膜厚tC，膜厚随着从x方向上的中央部向x方向上的端部去而连续地增大。
同样地，第2区域A2B在y方向上的长度，随着从与第3区域A3A相连接的第1端部e1’向x方向上的相反侧的第2端部e2’去而逐渐变短。第1区域A2B在y方向上的长度，例如随着从与第3区域A3A相连接的第1端部e1’向x方向上的相反侧的第2端部e2’去而连续地变化。
第3实施方式的磁畴壁移动元件102能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。另外，通过使第1区域A1B在y方向上的长度随着从与第3区域A3A相连接的第1端部e1向x方向上的相反侧的第2端部e2去而逐渐变短，能够抑制数据写入时的电流密度在第1区域A1B内急剧增大，防止磁畴壁DW到达元件外侧端部而导致磁畴壁移动层1整体单磁畴化。另外，通过使膜厚随着从第3区域A3的x方向上的中央部向端部去而连续地增大，能够抑制由电流向角部集中而引起的发热。另外，通过使第3区域A3的x方向上的端部的y方向上的长度WA3AE比第3区域A3的x方向上的中央部的y方向上的长度WA3AC短，能够抑制由使膜厚增大而导致的第3区域A3的端部的数据写入时的电流密度的降低。在第3区域A3的端部的数据写入时的电流密度比中央部低的情况下，有可能磁畴壁DW在端部被捕获。这些效果在第2区域A2B满足上述结构的情况下同样能够得到。
另外，在此，表示出了第1区域A1B和第2区域A2B两者具有同样的形状的例子，但也可以是仅第1区域A1B和第2区域A2B中的任一者为该结构。
(第4实施方式)
图7是将第4实施方式的磁畴壁移动元件103利用通过磁畴壁移动层1的y方向的中心的xz平面截断而得到的截面图。图7是沿着图8的A'-A'线的截面。图8是从z方向俯视磁畴壁移动元件103而得到的俯视图。图8中，用虚线表示第1电极41和第2电极42以及第3电极40A的与磁阻效应部10重叠的部分。图7所示的箭头是铁磁性体的磁化的取向方向的一个例子。第4实施方式的磁畴壁移动元件103中，第3电极40A的结构与第1实施方式不同。在第4实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图7、图8所示，在从z方向俯视时，第3电极40A中的第1面40a与第3区域A3的整体重叠，第1面40a的外周部分与第1区域A1和第2区域A2重叠，其中，第1面40a为第3电极40A的最靠近参照层3的面。
第4实施方式的磁畴壁移动元件103能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。此外，通过将第3电极40A的第1面40a配置成在从z方向俯视时与第3区域A3的整体重叠，第3区域A3的平坦性提高，磁畴壁DW能够顺畅地移动。
过孔直径的尺寸大多情况下因制造工艺而固定。即，过孔直径的选择存在制约，存在无法增大的情况。第3区域A3为了使多值数据记录的位数增多，优选尽可能长。通过以第3电极40A的第1面40a的外周部分在从z方向俯视时与第1区域A1和第2区域A2重叠的方式配置，能够得到上述的提高第3区域A3的平坦性的效果，并且能够在过孔直径的制约下使第3区域A3最长。
(第5实施方式)
图9是从z方向俯视第5实施方式的磁畴壁移动元件104而得到的俯视图。图9中，用虚线表示第1电极41和第2电极42。第5实施方式的磁畴壁移动元件104中，第3电极40B的结构与第1实施方式不同。在第5实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图9所示，第3电极40B中的第1面40b在从z方向俯视时与磁畴壁移动层1的整体重叠，其中，第1面40b为第3电极40B的最靠近参照层3的面。在从z方向看时，磁畴壁移动层1包含在第1面40b内。
第5实施方式的磁畴壁移动元件104能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。另外，通过以包含导电性材料的第3电极40B的第1面40b在从z方向俯视时与磁畴壁移动层1的整体重叠的方式配置，包括第1区域A1和第2区域A2的磁畴壁移动层1整体的散热性提高。当磁畴壁移动层1整体的散热性提高时，第1区域A1和第2区域A2的磁化固定功能稳定，数据记录的可靠性提高。
(第6实施方式)
图10是从z方向俯视第6实施方式的磁畴壁移动元件105而得到的俯视图。图10中，用虚线表示第1电极41和第2电极42。第6实施方式的磁畴壁移动元件105中，第3电极40C的结构与第1实施方式不同。在第6实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图10所示，第3电极40C中的第1面40c在从z方向俯视时与磁畴壁移动层1的整体重叠，其中，第1面40c为第3电极40C的最靠近参照层3的面，第1面40c的在y方向上的最大的长度LY比第1面40c的在x方向上的最大的长度LX短。在从z方向看时，磁畴壁移动层1包含在第1面40c内。
第6实施方式的磁畴壁移动元件105能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。为了使多值数据记录的位数增多，优选磁畴壁移动元件为在一个方向上较长的形状。通过将第3电极40C的第1面40c配置成在从z方向俯视时与磁畴壁移动层1的整体重叠，并使第1面40c为在y方向上的最大的长度LY比在磁畴壁移动层1延伸的方向即x方向上的最大的长度LX短的形状，能够提高磁畴壁移动层1整体的散热性，并且第1面40c成为沿着磁畴壁移动层1的形状，能够提高磁畴壁移动元件的集成性。
(第7实施方式)
图11是将第7实施方式的磁畴壁移动元件106利用通过磁畴壁移动层1的y方向的中心的xz平面截断而得到的截面图。图11是沿着图12的A”-A”线的截面。图12是从z方向俯视磁畴壁移动元件106而得到的俯视图。图12中，用虚线表示第1电极41和第2电极42以及第3电极40D的与磁阻效应部10重叠的部分。图11所示的箭头是铁磁性体的磁化的取向方向的一个例子。第7实施方式的磁畴壁移动元件106中，第1磁化固定层20和第3电极40D的结构与第1实施方式不同。在第7实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图11所示，第1磁化固定层20A的膜厚t20A大于第2磁化固定层30的膜厚t30。当第1磁化固定层20A的膜厚t20A与第2磁化固定层30的膜厚t30不同时，容易利用矫顽力差来将彼此不同方向的磁化固定。
第7实施方式的磁畴壁移动元件106能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。如图12所示，在从z方向俯视时，第3电极40D与磁畴壁移动层1的重心错开。如图12所示，在从z方向俯视时，第3电极40D的第1面40d的几何中心O与第1磁化固定层20A之间的距离L1，小于第1面40d的几何中心O与第2磁化固定层30之间的距离L2，其中，第1面40d为第3电极40D的最靠近参照层3的面。膜厚比第2磁化固定层30厚的第1磁化固定层20A，电阻值比第2磁化固定层30高，在数据写入时容易发热。通过使包含导电性材料的第3电极40D的第1面40d靠近第1磁化固定层20A侧，能够抑制在磁畴壁移动层1的第1区域A1侧与第2区域A2侧之间产生的热分布，提高数据记录的可靠性。在图11、图12中，表示出了在从z方向俯视时第1面40d与第1区域A1重叠的例子，但也可以是第1面40d与第1区域A1和第2区域A2重叠，也可以是第1面40d不与第1区域A1和第2区域A2中的任一者重叠。
(第8实施方式)
图13是从z方向俯视第8实施方式的磁畴壁移动元件107的第1区域A1C附近而得到的俯视图。图13中，用虚线表示第1电极41。第8实施方式的磁畴壁移动元件107中，第1区域A1的结构与第1实施方式不同。在第8实施方式中，对于与第1实施方式相同的结构，标注相同的附图标记，并省略说明。
如图13所示，第1电极41在从z方向俯视时与第1区域A1C的整体重叠。例如在从z方向俯视时，第1区域A1C包含在第1电极41内。在从z方向俯视时，第1电极41的外周与第1区域A1C的外周的距离，例如在第1区域A1C中的与第3区域A3相连接的端部的x方向上的相反侧的端部最短(Lmin)。例如，在从z方向俯视时，第1电极41的外周与第1区域A1C的外周的距离连续地变化，不是一定的。第1电极41的外周与第1区域A1C的外周的距离在第1点极小。第1区域A1C中，例如在从z方向俯视时与第3区域A3相连接的边以外的外周部分为曲线状。
第8实施方式的磁畴壁移动元件107能够得到与第1实施方式的磁畴壁移动元件100同样的效果。通过使第1区域A1C与第1电极41重叠，散热性提高。但是，第1电极41的外周部与绝缘层90相连接，因此，散热性比第1电极41的中央部差。通过使第1区域A1C中的与第1电极41的外周部的距离短的部位为最小限度，能够抑制由发热引起的第1区域A1C的磁化的波动，数据记录的可靠性提高。在图13中，表示出了第1电极41的外周与第1区域A1C的外周的距离在第1区域A1C中的与第3区域A3相连接的端部的x方向上的相反侧的端部最短的例子，但第1电极41的外周与第1区域A1C的外周的距离最短的部位可以是其它的任意的部位。
上面给出了几个实施方式，对磁畴壁移动元件的例子进行了说明。但是，本发明并不限于上述的实施方式，可以在不改变发明的主旨的范围内进行各种变更。
例如，上面说明了参照层3位于比磁畴壁移动层1更靠近基片Sub的一侧的例子，但也可以是如图14所示的变形例1那样，参照层3位于比磁畴壁移动层1更远离基片Sub的位置。图14是将变形例1的磁畴壁移动元件108用通过其y方向的中心的xz平面截断而得到的截面图。图14的参照层3位于比磁畴壁移动层1更远离基片的一侧的结构被称为顶固定结构。
另外，还可以将上述的实施方式和变形例的特征性的结构分别组合。

Claims (12)

1.一种磁畴壁移动元件，其特征在于：
包括磁阻效应部、第1电极、第2电极、第3电极、第1磁化固定层和第2磁化固定层，
所述磁阻效应部包括：包含铁磁性体的参照层；包含铁磁性体的磁畴壁移动层；和在第1方向上被所述参照层和所述磁畴壁移动层夹着的非磁性层，
所述磁畴壁移动层在与所述第1方向正交的第2方向上延伸，
所述磁畴壁移动层包括：磁化方向被固定的第1区域；磁化方向被固定在与所述第1区域的磁化方向不同的方向上的第2区域；和在所述第2方向上位于被所述第1区域和所述第2区域夹着的位置且磁化方向可变的第3区域，
所述第1电极与所述第1区域电连接，
所述第2电极与所述第2区域电连接，
所述第3电极与所述参照层电连接，且在所述第1方向上以所述参照层为基准位于与所述非磁性层相反的一侧，
所述第1磁化固定层位于所述第1区域与所述第1电极之间，用于将所述第1区域的磁化固定，
所述第2磁化固定层位于所述第2区域与所述第2电极之间，用于将所述第2区域的磁化固定，
所述参照层在从所述第1方向俯视时与所述第1区域和所述第2区域中的至少一部分重叠，
所述第1区域和所述第2区域中的至少一者的一部分在与所述第1方向和所述第2方向正交的第3方向上的长度比所述第3区域短。
2.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
还包括基片，
所述参照层比所述磁畴壁移动层更靠近所述基片。
3.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
所述第1区域和所述第2区域中的至少一者在所述第2方向上的长度比在所述第3方向上的长度长。
4.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
所述第1区域和所述第2区域中的至少一者具有：在所述第3方向上的长度比所述第3区域长的第1部分；和在所述第3方向上的长度比所述第3区域短的第2部分，
所述第1部分在所述第2方向上比所述第2部分更靠近所述第3区域。
5.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
所述第1区域和所述第2区域中的至少一者，随着从与所述第3区域相连接的第1端向所述第2方向上的相反侧的第2端去，在所述第3方向上的长度逐渐变短。
6.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
所述第3区域的所述第2方向上的端部的膜厚大于所述第3区域的所述第2方向上的中央部的膜厚，所述端部的所述第3方向上的长度比所述中央部的所述第3方向上的长度短。
7.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
在从所述第1方向俯视时，所述第3电极的第1面的外周与所述第1区域和所述第2区域中的至少一者重叠，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
8.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
在从所述第1方向俯视时，所述磁畴壁移动层包含在所述第3电极的第1面内，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
9.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
所述第3电极的第1面的在所述第3方向上最长的部分的长度比所述第1面的在所述第2方向上最长的部分的长度短，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
10.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
所述第1磁化固定层的膜厚大于所述第2磁化固定层的膜厚，
在从所述第1方向俯视时，从所述第3电极的第1面的几何中心至所述第1磁化固定层的距离小于从所述第1面的几何中心至所述第2磁化固定层的距离，其中，所述第1面为所述第3电极的最靠近所述参照层的面。
11.如权利要求1所述的磁畴壁移动元件，其特征在于：
在从所述第1方向俯视时，所述第1区域包含在所述第1电极内，所述第1区域的外周与所述第1电极的外周的距离在第1点最短。
12.一种磁记录阵列，其特征在于：
包括多个权利要求1所述的磁畴壁移动元件。
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