JP2012204802A - 磁気記憶素子、磁気記憶装置、および磁気メモリ - Google Patents

Abstract

【課題】磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるために必要な電流密度を低減化することができるとともに、磁壁の移動を安定に行うことができる磁気記憶素子、磁気記憶装置、および磁気メモリを提供する。
【解決手段】本実施形態の磁気記憶素子は、第１方向に延在し、磁壁により隔てられた複数の磁区を有する磁性細線と、前記磁性細線に前記第１方向の電流および前記第１方向と逆方向の電流を流すことが可能な電極と、電気的な入力を受け、前記磁性細線の全体または一部の領域の磁壁の移動をアシストするアシスト部と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶素子、磁気記憶装置、および磁気メモリに関する。

メモリの大容量化を実現する方法として、磁壁を用いたスピンシフトレジスタ型のメモリが提案されている。これは、従来の半導体メモリにおいて続いてきたような、各メモリセルに「記憶素子＋選択素子＋情報引き出し配線」を作りこむ方法ではなく、記憶情報を、一定の場所に形成されたセンサおよび配線の位置まで転送する方法をとることで、記憶素子のみを高密度に配置するというコンセプトに基づいており、メモリ容量を飛躍的に増大する可能性がある。

しかしながら、安定なシフト動作を実現するためには、磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるための大きな電流密度の電流が必要であった。頻繁に行うシフト動作に大電流、大電力が必要とすることは、メモリとして信頼性確保、および消費電力の二つの観点から望ましくない構成であり、磁壁のシフト動作に必要な臨界電流値を低減させることが必要である。

またメモリ向けのシフトレジスタは、各ｂｉｔ（または各桁）に制御電極を付けるのは望ましくなく、ビット列全体に対して何らかの作用を加えることで、所望の桁数のシフト動作を行う必要がある。これまでに提案されているメモリ向けシフトレジスタにおいては、シフトレジスタを貫通して流れる電流パルスにより、数桁ならまだしも、大容量メモリの実現のために必要なひとつの磁性細線にある少なくとも数百ｂｉｔ、大容量にするためには数ｋｂｉｔ以上にもなるような全桁の情報を一斉に間違いなく桁送りすることは容易ではない。このような一つの細線上にあるビット数が多い大容量メモリの場合には、シフトレジスタの物理的な長さも大きくなり、容量やインダクタンス成分による電流パルス波形の鈍りにより誤動作の可能性が増大してしまうという問題が考えられる。

特開２００９−３０１６９９号公報

米国特許第６，８３４，００５号明細書

本発明の実施形態が解決しようとする課題は、磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるために必要な電流密度を低減化することができるとともに、磁壁の移動を安定に行うことができる磁気記憶素子、磁気記憶装置、および磁気メモリを提供することである。

本実施形態の磁気記憶素子は、第１方向に延在し、磁壁により隔てられた複数の磁区を有する磁性細線と、前記磁性細線に前記第１方向の電流および前記第１方向と逆方向の電流を流すことが可能な電極と、電気的な入力を受け、前記磁性細線の全体または一部の領域の磁壁の移動をアシストするアシスト部と、を備えていることを特徴とする。

第１実施形態による磁気記憶素子を示す断面図。 第１実施形態の第１変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第１実施形態の第２変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 一実施形態の磁気記憶素子の磁性細線に印加される電流と磁場の波形を示すタイミングチャート。 第１実施形態による磁気記憶素子の書き込みおよび読み出しを説明する断面図。 第１実施形態の第１変形例による磁気記憶素子の書き込みおよび読み出しを説明する断面図。 図７（ａ）乃至図７（ｃ）は、第１実施形態と比較例の磁壁幅および磁化分布の時間経過を示す図。 図８（ａ）乃至図８（ｃ）は、第１実施形態の第１変形例による磁気記憶素子の製造方法を示す断面図。 第２実施形態による磁気記憶素子を示す断面図。 第２実施形態の第１変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第２実施形態の第２変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第３実施形態の磁気記憶素子を示す断面図。 第３実施形態の第１変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 図１４（ａ）、１４（ｂ）は、第３実施形態および第１変形例を基板の上方から見た平面図。 第３実施形態の第２変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第３実施形態の第３変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第３実施形態の第４変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第３実施形態の第５変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第３実施形態の第６変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第４実施形態による磁気記憶素子を示す断面図。 第４実施形態の第１変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 図２２（ａ）、２２（ｂ）は第５実施形態による磁気記憶素子を説明する図。 第５実施形態の一変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 第６実施形態による磁気記憶装置を示す斜視図。 第６実施形態の変形例による磁気記憶装置を示す斜視図。 第６実施形態またはその変形例磁気記憶装置を複数個備えた磁気メモリ示す斜視図。 第７実施形態の磁気記憶装置を示す回路図。 第７実施形態の磁気記憶装置を示す斜視図。

以下に図面を参照して実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気記憶素子を図１に示す。図１は第１実施形態による磁気記憶素子１の断面図である。この実施形態の磁気記憶素子１は、図示しない基板上に非磁性層（図示せず）などを介して、あるいは介さずに形成された磁性細線１００と、磁性細線１００に接続し磁性細線に電流を流す電極１０４ａ、１０４ｂと、配線２１０と、を備えている。磁性細線１００は一方向に伸びた細線形状を有している。本明細書において、この細線が伸びた方向を細線方向（第１方向）と称す。磁性細線１００を細線方向に対して垂直な面で切った断面形状は例えば四角形、円形又は楕円形状である。磁性細線１００は内部に複数の磁区１０１_１〜１０１_ｎ（ｎは整数）を有する。図１は、ｎが７として示している。磁区とは、その内部において磁化方向が一様な領域のことを指す。

隣接する２つの磁区の境界において、磁化方向は細線方向に連続的に変化する。このような磁化の変化領域は磁壁と呼ばれる。磁壁は一般に、磁性体の異方性エネルギーや交換スティフネスなどで決まる有限の幅ｗを有する。磁気記憶素子に書き込み部及び読み出し部が設けられる場合、磁性細線１００において、細線方向に所定の長さを持つ領域毎の磁化方向を０または１のビットデータと対応付ける。したがって、たとえば、「０００１１０１１」というデータが磁気記憶素子に保存されている場合、第３ビットに対応する領域と第４ビットに対応する領域の境界、第５ビットに対応する領域と第６ビットに対応する領域の境界、第６ビットに対応する領域と第７ビットに対応する領域の境界、のそれぞれに磁壁が存在する。１つの磁気記憶素子に保存されるデータ量はたとえば、１００から数１０００ビットである。図１においては、各磁区の磁化方向は垂直であるが、平行であってもよい。なお、本明細書において磁化方向が垂直であるとは、細線方向に対して磁化の方向が垂直であることを意味する。また、磁性細線１００に用いることができる材料については後述する。

電流源１５０は電極１０４ａ、１０４ｂを介して磁性細線１００に接続され、磁性細線１００内に細線方向に、双方向に電流を流すことが可能である。配線２１０は磁性細線１００の近傍に配置され、磁性細線１００とは電気的に絶縁されている。なお、図１においては、磁性細線１００は、細線方向が基板面（例えば、基板の上面）に対して垂直に配置されるが、図２に示す第１変形例に磁気記憶素子１のように、基板面に対して平行に配置されてもよい。また、図３に示す第２変形例のように１つの磁性細線１００に対して複数個（図２では２個）の配線２１１、２１２を設けてもよい。

本実施形態の磁気記憶素子１は、成膜技術と微細加工技術によって製造される。製造方法の詳細は、後述する。

本実施形態の磁気記憶素子１は、配線２１０と、電流源１５０とを用いて磁性細線１００内の磁壁を細線方向に所定距離だけ移動させることができる。その手順を説明する。

まず、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３（＞ｔ_２）まで、配線２１０に電流を流すアシスト手順と呼ぶ手順を実行する。配線２１０の周囲に、磁性細線１００の磁化に対して直交する成分を有する電流磁場が発生する。配線２１０が複数ある場合、少なくとも１つの配線２１０に電流を流す。磁性細線１００の一部領域（励起領域と称す）はその電流磁場の作用を受け磁化方向にゆらぎが生じ、励起領域に含まれる磁壁の幅が拡がる。磁性細線１００内の磁化の間には、双極子間相互作用と交換相互作用が働くため、上記磁化方向のゆらぎは磁性細線１００内を伝播する。したがって、励起領域に含まれない磁性細線１００内の磁壁の幅も電流磁場が及ぶ前に比べて拡がる。配線２１０に流す電流はパルス電流であっても交流電流であっても良い。交流である場合、磁性細線１００を構成する磁性体の強磁性共鳴周波数に近い周波数を持つことが望ましい。これは、磁場に対する感受率が共鳴周波数近傍では高くなり、より小さい電流で磁化方向のゆらぎを発生させることができるためである。

また時刻ｔ_１に、電流源１５０を用いて磁性細線１００内に電流１５５を流す。

よく知られているように、磁性体中に電流を流すことにより、電流は磁化方向にスピン偏極する。磁壁の位置では磁化方向が空間的に変化するため、電流１５５のスピン偏極方向もそれに応じて空間的に変化し、その反作用で磁化は電流１５５からトルクを受ける。電流値が閾値以上であれば磁性細線１００内の磁壁の位置が電子の流れる方向、すなわち電流１５５と逆の方向１０５に移動する。電流１５５を切ると磁壁の移動は停止するので、電流１５５を流す時間により磁壁の移動距離を制御することができる。

この際、本実施形態の磁気記憶素子１においては、磁壁幅が拡げられた状態で上記トルクを与えることになるため、トルクの受け渡しに関与する磁化の総量が増える。そのため、配線２１０に流す電流によって磁場を発生させない場合に比べて、磁壁移動の効率が向上する。したがって、より少ない電流、かつ／または、より短い時間で磁壁を移動させることが可能になり、従来の場合と比べて磁壁の移動の安定性が著しく向上する。すなわち、本実施形態においては、配線２１０に電流を流すことにより、磁壁の移動をアシストしており、配線はアシスト部を構成する。

以上の手順を、タイミングチャートとして表すと図４（ａ）に示すようになる。磁壁が移動を開始する時刻は、電流と磁場が同時に与えられる時刻であり、ｔ２≦ｔ１であればｔ１であり、ｔ１≦ｔ２であればｔ２である。とくに、時刻ｔ１が時刻ｔ２以降の時刻（ｔ２≦ｔ１）であることが望ましい。また、複数の配線に電流を流す場合、電流を流す配線の各々についてｔ２≦ｔ１の条件を満たすことが望ましい。この場合、磁壁の移動は時刻ｔ１から電流の供給が止まる時刻までであり、電流を流す時間によって磁壁の移動時間が決まるため、磁壁を所定距離移動させる制御性にすぐれる。電流の流し方として例えば、図４（ｂ）に示すように、電流１５５を時間的に複数回に分けられたパルス電流として流すことも可能である。このような電流の流し方は、移動した磁壁を静止させるタイミングを制御する上で効果がある。また、上述のように、電流磁場を交流磁場とする場合、タイミングチャートは、図４（ｃ）、図４（ｄ）に示すようになる。なお、図４（ｃ）は交流の振幅が変化する場合を示し、図４（ｄ）は交流の振幅が一定の場合を示す。なお、図４（ｃ）に示す磁場の波形は、例えば、後述する第２乃至第４実施形態の磁気記憶素子において発生するスピン波に伴う磁場を示している。

配線２１０は、電流１５５の入力部に近い位置に配置されていることが望ましい。また、磁気記憶素子１に複数の配線が設けられており、その一部の配線にのみ電流を流す場合、磁性細線１００における電流１５５の入力部に近い配線２１０を選択して電流を流すのが望ましい。ここで磁性細線１００における電流１５５の入力部とは、電流１５５を流す方向によって規定される。具体例として図３を参照して、この理由を説明する。電流１５５を図に示す方向に流す場合、磁壁は電流１５５と逆向きに移動する。磁場を発生させるための配線２１１と配線２１２のうち、電流１５５の入力部に近い位置に配置された配線２１１にのみ電流を流すと磁壁の進行方向側の磁壁が、短時間で移動する。これにより、複数の磁壁の追いつきおよび追い抜きが起こりにくくなるためである。

次に、第１実施形態および第１変形例の磁気記憶素子１の書き込みおよび読み出し方法について、図５を参照して説明する。図５は、図１に示す第１実施形態による磁気抵抗素子１の書き込みおよび読み出し方法を説明する図である。この磁気抵抗素子１は、磁性細線１００の一端、すなわち磁区１０１_１となる領域に第１電極１０４ａが設けられ、他端に磁性細線１０３が設けられている。この磁性細線１０３は書き込みおよび読み出しに用いられ、その細線方向は、磁性細線１００の細線方向と直交する。そして、この磁性細線１０３の他端には、磁気記憶素子１の第２電極１０４ｂが設けられている。この電極１０４ａと、１０４ｂとの間に電流を流すことにより、磁性細線の磁壁が移動する。また、この磁性細線１０３には、書き込み部１１０と、読み出し部１２０とが設けられている。書き込み部１１０は、磁性細線１０３を挟んだ一方の面に電極１１２ａが設けられ、他方の面に非磁性層１１４が設けられ、非磁性層１１４上に磁化が固定された磁化固定層１１６が設けられ、磁化固定層１１６上に電極１１２ｂが設けられた構成を有している。

また、読み出し部１２０は、磁性細線１０３を挟んだ一方の面に電極１２２ａが設けられ、他方の面に非磁性層１２４が設けられ、非磁性層１２４上に磁化が固定された磁化固定層１２６が設けられ、磁化固定層１２６上に電極１２２ｂが設けられた構成を有している。

まず、書き込みについて説明する。電極１０４ａ、１０４ｂ間に電流源１５０から電流１５５を流すとともに、配線２１０に電流を流すことにより、磁性細線１００の書き込みを行うべき領域が書き込み部１１０の電極１１２ａと、非磁性層１１４との間に位置するように磁壁を移動させる。その後、書き込み部１１０の電極１１２ａ、１１２ｂ間に電流を流し、上記書き込むべき領域に書き込みを行う。

磁化固定層１１６の磁化方向と同じ方向の磁化を有するように書き込みを行う場合は、電極１１２ａから、磁性細線１０３、非磁性層１１４、および磁化固定層１１６を介して電極１１２ｂに電流を流す。この場合、電子は電流と逆向きに流れるので、電極１１２ｂから、磁化固定層１１６、非磁性層１１４、および磁性細線１０３を介して電極１１２ａに流れる。このとき、磁化固定層１１６を通過した電子はスピン偏極され、このスピン偏極された電子が非磁性層１１４を通って磁性細線１０３の上記書き込みを行うべき領域に流れる。すると、上記書き込みを行うべき領域と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は上記書き込み行うべき領域を通過するが、上記書き込みを行うべき領域の磁化方向と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、上記書き込みを行うべき領域の磁化にスピントルクを作用し、上記書き込みを行うべき領域の磁化の方向が磁化固定層１１６の磁化と同じ方向を向くように働く。これにより、上記書き込みを行うべき領域の磁化は磁化固定層１１６の磁化と同じ方向となる。

一方、磁化固定層１１６の磁化方向と逆方向の磁化を有するように書き込みを行う場合は、電極１１２ｂから、磁化固定層１１６、非磁性層１１４、および磁性細線１０３を介して電極１１２ａに電流を流す。この場合、電子は電流と逆向きに流れるので、電極１１２ａから、磁性細線１０３、非磁性層１１４、および磁化固定層１１６を介して電極１１２ｂに流れる。磁性細線１０３の書き込みを行うべき領域を通過した電子はスピン偏極され、このスピン偏極された電子は非磁性層１１４を介して磁化固定層１１６に流れる。磁化固定層１１６の磁化と同じ方向のスピンを有する電子は磁化固定層１１６を通過するが、磁化固定層１１６の磁化と逆方向のスピンを有する電子は非磁性層１１４と磁化固定層１１６との界面で反射され、磁性細線層１０３の書き込みを行うべき領域に流入する。そして、磁化固定層１１６の磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、磁性細線１０３の上記書き込みを行うべき領域の磁化にスピントルクを作用し、上記書き込み行うべき領域の磁化の方向が磁化固定層１１６の磁化と逆方向を向くように働く。これにより、上記書き込み行うべき領域の磁化は磁化固定層１１６の磁化と逆方向となる。

次に、読み出し方法について説明する。電極１０４ａ、１０４ｂ間に電流源１５０から電流１５５を流すとともに、配線２１０に電流を流すことにより、磁性細線１００の読み出しを行うべき領域が読み出し部１２０の電極１２２ａと、非磁性層１２４との間に位置するように磁壁を移動させる。その後、読み出し部１２０の電極１２２ａ、１２２ｂ間に定電流を流し、あるいは定電圧を与える。このとき、上記読み出しを行うべき領域の磁化方向と磁化固定層１２６の磁化方向のなす角度によって、電極１２２ａ，１２２ｂ間の電気抵抗が変わること（磁気抵抗効果）を用いて、上記読み出しを行うべき領域からの情報の読み出しを行う。具体的には、上記読み出しを行うべき領域の磁化方向と磁化固定層１２６の磁化方向が平行（反平行）のとき上記抵抗値は低い（高い）値をとる。

また、第１実施形態の第１変形例の書き込み方法および読み出し方法は、まず、図６に示すように、磁性細線１００に、電極１０４ａ、１０４ｂと、書き込み部１１０と、読み出し部１２０とを設けて行う。すなわち、第１実施形態では、磁性細線１００に接続する磁性細線１０３に書き込み部１１０と、読み出し部１２０とを設けたが、第１変形例においては、磁性細線１００に書き込み部１１０と、読み出し部１２０とを設けておこなう。この第１変形例における書き込み方法および読み出し方法は、第１実施形態と同様にして行う。

次に、磁性細線の材料について説明する。

磁性細線１００には各種の磁性材料を用いることができる。例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素を含む磁性合金を用いることができる。代表的な例として、パーマロイ（ＦｅＮｉ合金）、ＣｏＦｅ合金などがある。特に、一軸異方性定数Ｋ_ｕが大きく、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることができる。異方性定数Ｋ_ｕが大きい材料を用いると、磁場や電流を与えていないときの磁壁幅が狭い。このため、本実施形態において、磁性細線１００として異方性定数Ｋ_ｕが大きい材料を用いると、磁場を与えた場合に磁壁幅が拡大する効果が得られ易く、好ましい。このような材料の例として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのグループから選択される１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｒｈのグループから選択される１つ以上の元素とを含む合金がある。一軸異方性定数の値については、磁性層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。

また、ｈｃｐ（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造（六方最密充填構造）の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Ｃｏを主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。

磁性細線１００の磁化方向は細線方向に垂直としても平行としても良いが、垂直とする方が、例えば、磁壁を移動するのに要する電流値を低減できるため、好ましい。

磁性細線１００の細線方向が基板に対して垂直方向に形成される場合には、磁気異方性の容易軸が膜面内にあることにより、磁化方向を磁性細線１００の細線方向に対して垂直方向に向けることができる。。磁気異方性が大きく、磁気異方性の容易軸が膜面内にある材料の例として、Ｃｏ、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金などが挙げられる。ＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔは、合金であっても良い。これらはｈｃｐのｃ軸が膜面内にある金属結晶である。さらに、上記材料群いずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。

また、磁性細線１００の細線方向が基板面に対して平行方向に形成される場合には、磁気異方性の容易軸が膜面垂直方向にあることにより、磁化方向を磁性細線１００の細線方向に対して垂直方向に向けることができる。。これらを実現する材料の例としては、ｈｃｐのｃ軸が膜面垂直方向に向いているＣｏ層、ＣｏＰｔ層や、ＦｅＰｔ層、（Ｃｏ／Ｎｉ）の積層膜、ＴｂＦｅ層などが挙げられる。なお、ＣｏＰｔは合金であっても良い。ＴｂＦｅ層の場合、Ｔｂが２０ａｔｏｍｉｃ％以上４０ａｔｏｍｉｃ％以下である場合には、ＴｂＦｅ層は垂直異方性を示す。さらに、上記材料群いずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。

また、磁性細線１００の材料として、その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。

また、磁性細線１００は、細線方向に垂直な断面内の磁化分布を生じさせないため、断面の一辺あるいは直径を２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。磁性細線１００の細線方向の長さを長くするほど多数の磁区を包含することができる。ただし、全長が極端に長くなると、磁性細線１００全体の電気抵抗が高くなるため典型的には１００ｎｍから１０μｍの範囲であることが好ましい。

磁性細線１００には細線方向に一定間隔で窪み等の断面積が他の部分と異なる領域を設けることでできる。この場合、磁壁にとっては、窪みがない場合に比べてピニングポテンシャルが高くなり、静止しやすくなる。しかし、一方では静止状態から移動状態へと遷移させるのに必要な電流が大きくなる。本実施形態の磁気記憶素子はこのような場合でも、アシスト部の作用により、磁壁の幅を広げることが可能であり、したがって、より小さな電流で磁壁を移動させることが可能であるので、効果が高い。

また、磁性細線１００に用いられるこれらの磁性体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈなどの非磁性元素を添加して磁気特性を調整すること、またはその他、結晶性、機械的特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。

（シミュレーション結果）
本実施形態の磁気記憶素子１と、比較例による磁気記憶素子を比較するためのシミュレーションを行った。このシミュレーション結果を図７（ａ）乃至図７（ｃ）に示す。比較例の磁気記憶素子においては、磁性細線１００に磁場を印加する配線２１０を設けない構成を有している。本実施形態および比較例の磁気記憶素子は、同一の材料、サイズの磁性体に対して磁場印加の有無以外は同一の条件でシミュレーションを行っている。また、このシミュレーションは、磁性細線１００を模した細線形状の磁性体中に、周囲と磁化方向が逆になる領域を１か所設けた磁化配置を初期条件とし、マイクロマグネティクスシミュレーションを用いて電流や磁場を印加した場合の磁気構造の時間変化を追ったものである。

図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施形態で説明した手順にしたがって、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３まで磁場を印加し、時刻ｔ_１以降電流を流した場合における磁壁幅の時間経過および磁化分布の時間経過を示すシミュレーション結果である。図７（ａ）破線および図７（ｃ）は、比較例の磁気記憶素子において、磁場は印加せず、時刻ｔ_１以降に電流のみを流した場合における磁壁幅の時間経過および磁化分布の時間経過を示すシミュレーション結果である。図７（ａ）、７（ｂ）、７（ｃ）から分かるように、本実施形態および比較例のいずれの磁気記憶素子においても、磁壁幅が増加し始める時刻と、磁壁が移動する時刻とが同期していることが分かる。また、本実施形態においては、磁場を印加する間に磁壁幅が広がっていることがわかる。このため、比較例と比べて本実施形態においては、電流を流し始める時刻ｔ_１から磁壁が動き始める時刻までの時間が大幅に短縮され、比較例に比べて早く磁壁を移動させることができる。磁壁が移動し始めるまでの時間は電流の大きさを大きくすることによって短縮することも可能であるから、一定時間電流を流して磁壁移動を行う場合に電流を低減化する効果があると言うことができる。

次に、第１実施形態の第１変形例による磁気記憶素子の製造方法について図８（ａ）乃至図８（ｃ）を参照して説明する。

まず、図８（ａ）に示すように、上面に絶縁膜１０が形成されたウェーハ（図示せず）を用意し、リソグラフィー技術とＲＩＥ(Reactive Ion Etching)とを用いて絶縁膜１０に、電流磁場を発生する配線２１０用の溝を形成する。続いて、上記溝に例えばＣｕ等の導電膜を成膜し、配線２１０を形成する。その後、例えば酸化シリコン等の絶縁膜１２を積層し、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、読み出し部１２０および書き込み部の下部電極１２２ａおよび下部電極１１２ａ用のそれぞれの溝を形成し、それぞれの溝に例えばＣｕ等の導電膜を成膜し、下部電極１２２ａおよび下部電極１１２ａを形成する。その後、更に絶縁膜（図示せず）を成膜し、この絶縁膜を、例えばＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)等を用いて平坦化し、下部電極１２２ａおよび下部電極１１２ａの上面を露出させる。

次に、磁性層１４、非磁性層１６、磁性層１８、保護膜２０を、この順序で成膜する（図８（ａ））。磁性層１４は、磁性細線１００となる。また、非磁性層１６の材料としては、例えばＭｇＯを用い、この非磁性層１６が、書き込み部１１０および読み出し部１２０の非磁性層１１４および非磁性層１２４となる。磁性層１８は、書き込み部１１０および読み出し部１２０の磁化固定層１１６および磁化固定層１２６となる。また、保護膜２０としては、例えばＴａを用い、書き込み部１１０および読み出し部１２０の上部電極１１２ｂおよび１２２ｂとなる。磁性層１４、非磁性層１６、磁性層１８、および保護膜２０が積層されたウェーハを磁場中の真空炉に入れ、例えば２７０℃、１０時間の条件下で、磁場中でアニールすることにより、磁性層１４、１８に一方向異方性を付与する。その後、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、保護膜２０、磁性層１８、非磁性層１６、および磁性層１４を、磁性細線１００の平面形状にパターニングする（図８（ａ））。

次に、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、保護膜２０、磁性層１８、および非磁性層１６を、磁性細線１００の平面形状にパターニングし、書き込み部１１０および読み出し部１２０を形成する（図８（ｂ））。続いて、層間絶縁膜２２を堆積した後、この層間絶縁膜２２を平坦化し、書き込み部１１０および読み出し部１２０のそれぞれの上部電極１１２ｂおよび１２２ｂを露出させる（図８（ｂ））。

次に、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、層間絶縁膜２２に、磁性細線１００に接続するコンタクトホール形成し、このコンタクトホールを導電膜材料で埋め込むことにより、電極１０４ａ、１０４ｂを形成する（図８（ｃ））。これにより、磁気記憶素子が完成する。

以上説明したように、第１実施形態によれば、磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるために必要な電流密度を低減化することができるとともに、磁壁の移動を安定に行うことができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による磁気記憶素子を図９に示す。この第２実施形態の磁気記憶素子１は、複数の磁区１０１_１〜１０１_ｎ（ｎは整数）を有する磁性細線１００と、電流源１５０からの電流を磁性細線１００に流す電極１０４ａ、１０４ｂと、磁性細線１００にスピン波を発生させるスピン波発生部１７０と、を備えている。なお、図示しないが、第２実施形態の磁気記憶素子１においても、第１実施形態と同様に書き込み部および読み出し部が設けられている。

スピン波発生部１７０は、磁性細線１００の一端に接続され磁性細線１００の細線方向と直交する方向に延在する磁性層１７２と、磁性層１７２上に設けられた非磁性層１７４と、非磁性層１７４上に設けられた磁化固定層１７６と、電流源１８０からの電流を磁性層１７２と、磁化固定層１７６との間に流す電極１７７ａ、１７７ｂと、を備えている。図９においては、スピン波発生部１７０の非磁性層１７４、磁化固定層１７６は、磁性細線１００と同じ側の磁性層１７２の面に設けられていたが、図１０に示す第１変形例のように、磁性細線１００と反対側の磁性層１７２の面に設けてもよい。この場合、電極１７７ａは電極１０４ｂと兼用となる。

また、磁化固定層１７６は、熱擾乱耐性を大きくするために、膜厚を厚くするか、または図１０に示すように、磁化を固定するための反強磁性層１７８を非磁性層１７４と反対側の磁化固定層１７６の面に設けてもよい。なお、図９には示していないが、図９においても、反強磁性層１７８を、非磁性層１７４と反対側の磁化固定層１７６の面に設けてもよい。また、電流源１５０および電流源１８０は一部の電極を共有していてもかまわないが、互いに独立に電流のオン、オフを制御可能であるように構成される。

磁性層１７２と磁化固定層１７６の磁化方向は互いに平行（または反平行）であっても垂直であってもよい。

本実施形態において、磁性細線１００の磁壁の移動は以下の手順で行われる。まず、図４（ｃ）に示すように、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの間、電流源１８０により電流１８５を流す。この手順をアシスト手順と呼ぶ。アシスト手順を実行すると磁性細線１００あるいは磁性層１７２の少なくとも一部の領域にスピン偏極した電流が流れ、したがって、スピントルクが働くため、磁性細線１００あるいは磁性層１７２に磁化方向が変化する。この際、磁性層１７２内のスピントルクを受ける領域の磁化方向が反転すると意図しない書き込みが行われるため、これを防止し、磁化方向の変化を９０度以下にとどめるか、磁化の才差運動状態を発生させる必要がある。その場合、磁化変化は磁性層１７２から磁性細線１００へとスピン波として伝播するため、磁性細線１００内の磁壁幅が電流を流す前と比べて拡がる。

また時刻ｔ_１に、電流源１５０により磁性細線１００内に電流を流す。この電流値が閾値以上であれば磁性細線１００内の磁壁の位置が電子流の流れる方向、すなわち、電流と逆の方向に移動する。電流を切ると磁壁の移動は停止するので、電流を流す時間により磁壁の移動距離を制御することができる。すなわち、本実施形態においては、スピン波発生部１７０は、磁壁の移動をアシストしており、アシスト部とも呼ばれる。

スピン波発生部１７０において、意図しない磁化反転を防止するために、たとえば、磁化固定層１７６の磁化方向と、磁性層１７２の非磁性層１７４との界面近傍領域での磁化方向とがなす角が４５度から１３５度の範囲とすれば、電流１８５を流し続けても、意図しない磁化反転が起こらない。そのため、磁化固定層１７６の磁化方向と磁性層１７２の非磁性層１７４との界面近傍領域での磁化方向とがなす角は、たとえば、垂直とするとよい。磁化固定層１７６の磁化方向と磁性層１７２の磁化方向とを垂直とすると、磁化変化を起こすのに必要な電流を低減することができる、というメリットもある。また、磁化固定層１７６の磁化方向と磁性層１７２の非磁性層１７４との界面近傍領域での磁化方向とがなす角が０度、つまり、平行である場合、電流１８５を磁化固定層１７６から磁性層１７２に流れる極性で流すことにより、磁性層１７２に磁化ゆらぎを与えることができる。また、磁化固定層１７６の磁化方向と磁性層１７２の非磁性層１７４との界面近傍領域での磁化方向とがなす角が１８０度、つまり、反平行である場合、電流１８５を磁性層１７２から磁化固定層１７６に流れる極性で流すことにより、磁性層１７２に磁化ゆらぎを与えることができる。ただし、磁化固定層の磁化方向と磁性層１７２の磁化方向とが平行あるいは反平行の場合、電流１８５の大きさがある閾値以上であり、かつ、電流を流す時間が電流１８５の値によって決まる閾値以上であれば、磁性細線１００内のスピントルクを受ける領域において磁化方向が反転してしまうため、電流１８５の大きさ、または、流す時間は、それぞれの閾値未満とする必要がある。たとえば、電流１８５の大きさを閾値未満とすると、スピントルクによる作用とともに、磁性層１７２内部での交換相互作用による復元力が働くため、安定な磁化発振が生じ、電流１８５の時間的な制御を行わなくても、継続的にスピン波が発生するため望ましい。とくに、非磁性層１７４の平面サイズを小さくすることで、スピントルクに対して交換相互作用の割合を大きくすることができるため、磁化反転を起こしづらくすることができる。また、電流１８５の波形をたとえば周期的なパルス電流とする、あるいは交流電流とすることで、磁化反転が起こる前にスピントルクを弱め、反転を防止することもできる。つまり、第２実施形態においては、安定的に磁性細線１００内に磁化ゆらぎを導入することができ、したがって、磁性細線１００内の磁壁幅が拡大した状態が細線方向の長い距離に渡って得られる、という特徴があり、そのため、電流源１５０により流す電流の大きさを抑制しても多数の磁壁を安定的に移動することが可能である。

なお、第２実施形態およびその第１変形例の磁気記憶素子１においては、磁性細線１００の細線方向は、基板面（例えば、基板の上面）に対して垂直に配置されるが、図１１に示す第２変形例の磁気記憶素子１のように、基板面に対して平行に配置されてもよい。この場合、スピン波発生部１７０の各層１７２、１７４、１７６は、磁性細線１００の細線方向に平行に設けられる。また、図１１においては、図９または図１０に示す電流源１８０を磁性細線１００に電流を流す電流源１５０と兼用した構成となっている。この場合、電極１７７ｂは、電極１０４ｂと兼用となる。

次に、第２実施形態およびその変形例の磁気記憶素子の各層の材料について説明する。

磁性細線１００の材料として用いることができる材料は第１実施形態と同様である。

スピン波発生部１７０の磁性層１７２と磁化固定層１７６の材料も第１実施形態と同様に各種の磁性材料から選ぶことができる。磁性層１７２と磁化固定層１７６と磁性細線１００は同じ材料であっても異なっていても良い。

磁化固定層１７６の磁化を固定するために用いる反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ_２Ｏ_３、磁性半導体などを用いることが望ましい。

非磁性層１７４の材料としては、非磁性金属あるいは絶縁性の薄膜を用いることができる。非磁性金属としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれかの元素、あるいはこれらの元素のいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性層１７４の厚さは、磁化固定層１７６と磁性層１７２の静磁結合が十分小さく、かつ、非磁性層１７４のスピン拡散長より小さくする必要があり、具体的には、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

非磁性層１７４に用いることのできる絶縁性材料として、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体（ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_２、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁材料からなる非磁性層１７４の厚さは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

以上説明したように、第２実施形態によれば、磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるために必要な電流密度を低減化することができるとともに、磁壁の移動を安定に行うことができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気記憶素子を図１２に示す。この第３実施形態の磁気記憶素子１は、複数の磁区１０１_１〜１０１_ｎ（ｎは整数）を有する磁性細線１００と、電流源１５０からの電流を磁性細線１００に流す電極１０４ａ、１０４ｂと、磁性細線１００の細線方法に沿って磁性細線１００を取り囲むように設けられた磁性層１３０と、磁性層１３０内の磁性細線１００の近接するように設けられた配線２３０とを備えている。なお、図示しないが、第３実施形態の磁気記憶素子１においても、第１実施形態と同様に書き込み部および読み出し部が設けられている。

また、図１２においては、配線２３０は、磁性細線１００の細線方向と交わらない直交する方向に延在するように設けられているが、図１３に示す第３実施形態の第１変形例のように、磁性細線１００の細線方向に沿って延在するように設けられてもよい。磁性層１３０と、配線２３０とがスピン波発生部を構成する。

磁性層１３０は絶縁性磁性材料かまたは導電性の高い磁性材料から構成される。絶縁性磁性材料から構成される場合、磁性層１３０は磁性細線１００に直接接続されていてもかまわない。この場合、磁性細線１００と磁性層１３０との距離が近いため、磁性層１３０内に発生するスピン波を直接的に磁性細線１００内に伝播させることができ、ゆらぎの伝達効率が高くなり望ましい。磁性層１３０は導電性の高い磁性材料から構成される場合、磁性層１３０と磁性細線１００との間には図示しない非磁性絶縁体を挟む必要があり、電気的に絶縁する必要がある。このように、磁性層１３０は、スピン波を発生する層でもあり、磁性細線１００にスピン波を伝播する層でもある。

磁性層１３０が絶縁材料からなる場合、配線２３０は磁性層１３０に埋めこまれていても良い。あるいは配線２３０は図１２に示すように絶縁体２３２を介して磁性層１３０に近接する位置に配置されている。配線２３０は図１２、図１４（ａ）に示すように、基板面に平行な方向に延在していても、あるいは図１３、図１４（ｂ）に示すように、基板面に垂直な方向に延在していてもかまわない。なお、図１４（ａ）、１４（ｂ）はそれぞれ、図１２、図１３に示す磁気記憶素子を基板の上方からみた場合の上面図を示す。

第３実施形態において、磁性細線１００の磁壁の移動は以下の手順で行われる。まず、時刻ｔ_２からｔ_３までの間、配線２３０に電流を流す。この手順をアシスト手順と呼ぶ。アシスト手順を実行すると磁性層１３０の少なくとも一部の領域の磁化１３１の方向にゆらぎが生じ、磁化１３１のゆらぎは磁性層１３０内をスピン波として伝播する。さらに、磁性層１３０内の磁化１３１と磁性細線１００内の磁化との間には静磁的な相互作用が働くため、磁性細線１００内の磁化にゆらぎが与えられ、磁性細線１００内をスピン波が伝播する。したがって、第２実施形態の場合と同様に、磁性細線１００内の磁壁幅が電流を流す前に比べて拡がる。なお、電流源１５０を用いて電流を流すタイミング等については第１実施形態と同じように行う。すなわち、本実施形態においては、磁性層１３０と、配線２３０とは、磁壁の移動をアシストしており、アシスト部を構成する。

これにより、第３実施形態によれば、磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるために必要な電流密度を低減化することができるとともに、磁壁の移動を安定に行うことができる。

なお、第３実施形態の磁気記憶素子を用いると、磁性細線中の複数の磁壁に対して同時にゆらぎを与えることが可能となるため、磁性細線中の磁壁を一斉に移動させることができる。さらに、磁性層１３０が絶縁体磁性材料から構成される場合、磁性層１３０と磁性細線１００との距離を近づけることが可能となるので、ゆらぎを効率的に与えることができる。

図１５に示す第３実施形態の第２変形例による磁気記憶素子１のように、磁性層１３０は、磁性細線１００を取り囲むように設けられる必要はなく、磁性細線１００全体に近接して配置されていれば良い。なお、図１５に示す第２変形例においては、磁性層１３０は、磁性細線１００と配線２３０との間に設けられ、配線２３０は、磁性細線１００の細線方向と交わらずかつ直交する方向に延在している。

また、図１６に示す第３実施形態の第３変形例による磁気記憶素子１のように、磁性層１３０は、磁性細線１０を取り囲むように設けられる必要はなく、磁性細線１００全体に近接して配置されていれば良い。なお、図１６に示す第３変形例においては、磁性層１３０は、磁性細線１００と配線２３０との間に設けられ、配線２３０は、磁性細線１００の細線方向に沿った方向に延在している。

また、図１７に示す第３実施形態の第４変形例による磁気記憶素子１のように、磁性層１３０は、磁性細線１００全体に近接して配置されている必要はなく、磁性細線１００の一部の領域に近接していてもよい。この場合、磁性細線１００の少なくとも１つ以上の磁壁が磁性層１３０と近接していれば、磁壁幅の拡大効果が得られやすいため望ましい。

また、図１８に示す第３実施形態の第５変形例による磁気記憶素子１のように、磁性層１３０は、磁性細線１００の一部の領域を取り囲むように配置されていてもよい。この場合、磁性細線１００の少なくとも１つ以上の磁壁を磁性層１３０が取り囲むように配置されていれば、磁壁幅の拡大効果が得られやすいため望ましい。

また、図１９に示す第３実施形態の第６変形例による磁気記憶素子１のように、配線２３０の代わりに、磁気記憶素子１および磁性層１３０を取り囲むようにコイル２３５を設けてもよい。コイル２３５に電流を流すことにより発生する磁場によって磁性層１３０にスピン波を発生させ、この発生されたスピン波を磁性細線１００に伝播する。この第６変形例においては、コイル２３５間に複数の磁気記憶素子１を設けてもよい。この場合、複数の磁気記憶素子の間で磁場発生源（コイル２３５）を共有化することができ、磁気記憶素子の高集積化という観点で有利である。

なお、第３実施形態およびその変形例の磁気記憶素子１に用いられる磁性層１３０として、絶縁性の磁性材料を用いる場合は、イットリウム鉄ガーネット（ＹＩＧ）やマンガンフェライト等のフェライト系酸化物を用いることが好ましい。これは、減衰係数が小さいため、スピン波の伝達損失を少なくすることができるためである。

しかしながら、これらの材料に限定されるものではなく、ほかの鉄、コバルト、ニッケルを含む磁性酸化物は用いることも可能である。スピネル酸化物、反強磁性酸化物等などが挙げられる。

（第４実施形態）
第４実施形態による磁気記憶素子を図２０に示す。この第４実施形態の磁気記憶素子１は、複数の磁区１０１_１〜１０１_ｎ（ｎは整数）を有する磁性細線１００と、電流源１５０からの電流を磁性細線１００に流す電極１０４ａ、１０４ｂと、スピン波発生部２４０とを備えている。スピン波発生部２４０は、磁性細線１００の全体または一部に近接して設けられた磁性層２４２と、磁性層２４２上に設けられた非磁性層２４４と、非磁性層２４４上に設けられた磁化固定層２４６と、電流源２４８からの電流を磁性層２４２と磁化固定層２４６との間に流す電極２４７ａ、２４７ｂとを備えている。なお、図示しないが、第４実施形態の磁気記憶素子１においても、第１実施形態と同様に書き込み部および読み出し部が設けられている。また、磁化固定層２４６は磁化方向が固定されている。この磁化方向の固定は、膜厚を厚くするか、または非磁性層２４４と反対側の面に反強磁性層を設けることで行われる。

本実施形態において、磁性細線１００の磁壁の移動は以下の手順で行われる。まず、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの間、電流源２４８に電流を流す。この手順をアシスト手順と呼ぶ。アシスト手順を実行すると磁性層２４２にスピン偏極した電流が流入され、少なくとも一部の領域の磁化２４３がスピントルクを受けてゆらぎが生じる。この磁化２４３のゆらぎは磁性層２４２内をスピン波として伝播する。さらに、磁性層２４２内の磁化２４３と磁性細線１００内の磁化の間には静磁的な相互作用が働くため、磁性細線１００内の磁化にゆらぎが与えられ、磁性細線１００内をスピン波が伝播する。したがって、磁性細線１００内の磁壁幅が電流を流す前に比べて拡がる。すなわち、本実施形態においては、スピン波発生部２４０は、磁壁の移動をアシストしており、アシスト部とも呼ばれる。なお、電流源１５０を用いて電流を流すタイミング等については第１実施形態と同様に行う。

また、磁性層２４２が絶縁体からなる場合は、図２１に示す第４実施形態の一変形例のように、電流源２４８の代わりに電圧源２４９を備えたスピン波発生部２４０Ａを用いてもよい。磁性層２４２が絶縁体からなる場合、磁性層１００は磁性層２４２と接していてもよい。あるいは、磁性層１００の全体または一部が磁性層２４２内に埋め込まれていてもよい。このように、磁性層１００が磁性層２４２と直接接することにより、磁性層２４２にて発生した磁化ゆらぎを効率的に磁性層１００内に伝えることができ、磁性層１００内の磁壁幅をより大きく拡げられる、というメリットがある。磁性層２４２が導電性の高い材料から構成される場合、磁性層１００と磁性層２４２の間には図示しない絶縁体を挟み、電気的に絶縁する必要がある。

本実施形態の磁気記憶素子を多数並べて用いる場合、隣接する複数の磁気記憶素子間で磁性層２４２、非磁性層２４４、および磁化固定層２４６を共有してもかまわない。このようにすることで磁気記憶素子の高集積化が可能となる。また、この場合も磁性細線１００内に電流を流さなければ、磁性層２４２内にスピン波を発生させるだけで、磁性細線１００内の磁壁は移動しないため、各磁性素子を独立に制御することができる。

以上説明したように、第４実施形態によれば、第２実施形態と同様に、磁壁が静止した状態から移動状態に遷移させるために必要な電流密度を低減化することができるとともに、磁壁の移動を安定に行うことができる。

（第５実施形態）
第５実施形態による磁気記憶素子を図２２（ａ）、２２（ｂ）に示す。この第５実施形態の磁気記憶素子１の断面図を図２２（ａ）に示し、上面図を図２２（ｂ）に示す。

第５実施形態の磁気記憶素子１は、複数の磁区１０１_１〜１０１_８を有する磁性細線１００と、電流源１５０からの電流を磁性細線１００に流す電極１０４ａ、１０４ｂと、圧電部２５０とを備えている。この圧電部２５０は、磁性細線１００の少なくとも一部の領域（図面上では全ての領域）を取り囲むように設けられた圧電層２５２と、この圧電層２５２上に設けられ、電圧源２５６からの電圧を圧電層２５２に印加する電極２５４ａ、２５４ｂと、を備えている。なお、図示しないが、第５実施形態の磁気記憶素子１においても、第１実施形態と同様に書き込み部および読み出し部が設けられている。

第５実施形態において、磁壁の移動は以下の手順で行われる。まず、時刻ｔ_２からｔ_３までの間、電極２５４に電圧を与える。この手順をアシスト手順と呼ぶ。アシスト手順を実行すると圧電層２５２内に結晶の歪みが振動として生じ、圧電層２５２の電極２５４に接する領域から周囲の領域に、圧電層２５２内を弾性波として伝播する。その結果、磁性細線１００内は圧電層２４２との界面を介して応力を受け、逆磁歪効果により磁性細線１００の磁気異方性が変化する。その結果、磁性細線１００内の磁化にゆらぎが与えられる。したがって、磁性細線１００内の磁壁幅が電流を流す前に比べて拡がる。その結果、磁壁をシフトさせるために必要な電流の値を大幅に低減することが可能となる。すなわち、本実施形態においては、圧電部２５０は、磁壁の移動をアシストしており、アシスト部とも呼ばれる。第５実施形態においては、圧電層２４２と磁性細線１００の界面全体に応力が与えられ、したがって、磁性細線１００内の前記界面近傍領域全体に歪が与えられ、その領域内の磁壁幅が拡大する。そのため、配線による電流磁場を用いる実施形態では、距離に反比例して作用が低減するのに対し、第５実施形態は、作用が及ぶ磁壁全体に一様な作用を与えて幅を拡大することができるというメリットがある。圧電層２４２は磁性細線１００の一部と接している場合でも上記歪によりもたらされる磁化ゆらぎがスピン波として磁性細線１００中を伝播するため、効果があるが、圧電層２４２が磁性細線１００と接する界面の面積が大きいと作用の一様性が向上するため、好ましい。とくに、圧電層２５２が磁性細線１００の細線方向全体に渡っていると、上記効果が全体に渡って得られるため好ましい。最も好ましい例として、圧電層２５２が磁性細線１００の周囲を取り囲んでいると、磁性細線１００内のすべての磁壁の幅を一括して拡大することが安定的に得られる。

さらに、第５実施形態の別のメリットとして、消費電力の低減効果がある。圧電層２５２を用いた磁性細線１００への応力付与は電圧駆動であるため、歪を与えるために必要な消費電力は、たとえば、配線による電流磁場を用いる実施形態と比べても、大幅に小さく、したがって、磁壁幅拡大によるアシスト効果により磁壁移動に必要な電流を低減できることと合わせると、磁壁移動に要する消費電力は大幅に小さくなる。磁壁を移動させるために必要な電流値は、本実施形態により１桁以上低減することも可能と見積もられる。

圧電層２５２内を伝播する弾性波の伝播特性は、圧電体の結晶性に依存し、結晶方位に応じた方向に伝播する。特に、単結晶あるいは一軸配向性を持つ圧電体では、均一な表面弾性波が励起されるので、圧電層１３５を、単結晶あるいは一軸配向性を持つ圧電体で形成することが望ましい。

圧電体２５２の材料としては、例えば、酒石酸カリウムナトリウム（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３））、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ）、水晶（ＳｉＯ_２）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ_２Ｂ_４Ｏ_７）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ランガサイト系結晶（例えばＬａ_３Ｇａ_５ＳｉＯ_１４）、酒石酸カリウムナトリウム四水和物（ＫＮａＣ_４Ｈ_４Ｏ_６・４Ｈ_２Ｏ）などを用いることができる。また、これらの圧電材料をベースとして、特性を調整するために添加元素を加えてもかまわない。また、圧電体２５２は、これらの材料からなる層が複数積層された層構成としても良い。

また、第５実施形態に用いることのできる磁性細線１００の材料は、第１実施形態と同様である。特に、磁歪定数の絶対値が大きい材料は一定の応力を受けたときの磁気異方性の変化が大きいため、わずかな歪が印加された場合であっても磁化方向が大きく変化するため、磁壁幅の拡大効果が大きくなり磁壁移動に必要な電流値を下げられるため、望ましい。磁歪定数の大きな材料として、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎなどの合金、あるいはＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉと白金の合金、Ｆｅ、Ｃｏ、ＮｉとＴｂ、Ｓｍ、Ｅｕなど希土類の合金がある。また、第５実施形態の磁性細線１００の材料として、第１実施形態と同様の材料に添加元素を加えることにより磁歪定数を大きくされたものを用いることができる。一例として、Ｎｉ元素を添加させた磁性材料は、Ｎｉ元素を添加しない材料に比べて、磁歪定数が負方向にシフトする。したがって、Ｎｉ元素の含有量を大きくすることにより、符号が負で絶対値の大きな磁歪定数を持つ磁性材料が得られる。別の例として、微量の酸素を添加させた磁性材料は、酸素を添加しない材料に比べて、磁歪定数が正方向にシフトする。したがって、磁性材料に酸素を添加させることにより、符号が正で絶対値の大きな磁歪定数を持つ磁性材料が得られる。

第５実施形態の変形例による磁気記憶素子を図２３に示す。この変形例の磁気記憶素子においては、圧電層２５２に電圧を印加する電極２５４ａ、２５４ｂが磁性細線１００の細線方向に対して平行に設けられている。なお、図２３は断面図であり、圧電層２５２は磁性細線１００を取り囲むように設けられているが、電極２５４ａ、２５４ｂは圧電層２５２の一部に設けられる。

（第６実施形態）
第６実施形態の磁気記憶装置を図２４に示す。この第６実施形態の磁気記憶装置２８０は、図２４に示すように、複数の磁性細線１００と、各磁性細線を取り囲むように設けられた圧電層２５２と、圧電層２５２に電圧を印加する電極２５４ａ、２５４ｂとを備えている。図２４においては、圧電層２５２が各磁性細線１００の周囲を取り囲んでいるが、より確実な絶縁を確保するために、磁性細線１００と圧電層２５２との間に、例えばアモルファスＳｉＯ_２、アモルファスＡｌ_２Ｏ_３のような絶縁材料が設けられていても構わない。

また、図示されていないが、各磁性細線１００には、第５実施形態の磁気記憶素子における磁性細線中に電流を流すための電極が設けられ、磁性細線１００中に電流を流すことが可能とされる。また、図示されていないが、少なくとも１つの磁性細線１００には磁性層が接続され、この磁性層には第５実施形態と同様の書き込み部および読み出し部が接続されている。この磁気記憶装置２８０においては、図２４に示すように、複数の磁性細線１００に対してまとめて圧電駆動を行うことにより第５実施形態における磁気記憶素子のアシスト手順を実行する。したがって、第５実施形態の磁気記憶素子と同様の手順で磁性細線１００中の磁壁移動を行うことができる。また、書き込み方法、および読み出し方法についても第５実施形態の磁気記憶素子と同様である。つまり、第６実施形態の磁気記憶装置は、第５実施形態の磁気記憶素子を複数含み、複数の磁気記憶素子がアシスト部を共有したものである。

また、第６実施形態の磁気記憶装置２８０は、図２４に示すように、圧電層２５２に電圧を印加する電極２５４ａ、２５４ｂは各磁性細線１００の細線方向と平行な向きに沿って設けられているが、複数の磁性細線１００の細線方向と垂直方向に沿って設ける構成も考えられる。この場合を第６実施形態の変形例として図２５に示す。この変形例の磁気記憶装置２８０Ａは、図２５に示すように、それぞれの細線方向が平行となるようにマトリクス状（行方向及び列方向）に配列された複数の磁性細線１００と、これらの磁性細線１００を取り囲むように設けられた絶縁体２５８と、を備えている。そして、複数に磁性細線１００および絶縁体２５８からなる集合体の上面または下面の一方の面には、複数のワード線ＷＬと、これらのワード線ＷＬに交差する複数のビット線ＢＬが設けられている。図２５においては、複数のワード線ＷＬと複数のビット線ＢＬは、磁性細線１００および絶縁体２５８からなる集合体の上面に設けられている。複数のワード線ＷＬはマトリクス状に配列された複数の磁性細線１００の例えば列に対応して設けられ、複数のビット線ＢＬはマトリクス状に配列された複数の磁性細線１００の例えば行に対応して設けられている。複数のワード線ＷＬと、複数のビット線ＢＬが設けられている面は、複数の磁性細線１００の細線方向に直交する面に平行となる。各ワード線ＷＬと、各ビット線ＢＬとの交差領域においては、ワード線ＷＬとビット線ＢＬが接するとともに、対応する磁性細線１００の上面と接するように構成されている。さらに、複数のワード線ＷＬおよび複数のビット線ＢＬ上には圧電層２５２が設けられ、この圧電層２５２上には電極２５４が設けられている。この電極２５４は圧電層２５２に電圧を印加する電圧源２５６に接続されている。

このように構成された変形例において、電極２５４に電圧を与えると圧電層２５２内に結晶の歪みが振動として生じ、圧電層２５２内を弾性波として伝播する。その結果、各磁性細線１００の上面は、ワード線ＷＬおよびビット線ＢＬを介して応力を受け、逆磁歪効果により磁性細線１００の磁気異方性が変化する。その結果、磁性細線１００内の磁化にゆらぎが与えられる。したがって、磁性細線１００内の磁壁幅が電流を流す前に比べて拡がる。その結果、磁壁をシフトさせるために必要な電流の値を大幅に低減することが可能となる。

なお、図２５においては、ワード線ＷＬおよびビット線ＢＬは、磁性細線１００および絶縁体２５８からなる集合体の上面に設けられていたが、下面に設けてもよい。この場合、圧電層２５２および電極２５４は、上面側に設けてもよいし、下面側に設けてもよい。

さらに、図２４または図２５に示す磁気記憶装置２８０，２８０Ａを１ブロックとして、列方向または行方向に沿って複数個設けることでメモリチップ２８５として実現することが可能である。その例を図２６に示す。圧電による駆動は各ブロック単位で行うが、それらのブロックを複数個、チップ上に設けることで、大容量のメモリチップを実現することが可能となる。複数のブロックの下層に図示しないトランジスタが配置される。

（第７実施形態）
第７実施形態による磁気記憶装置について図２７乃至図２８を参照して説明する。第７実施形態の磁気記憶装置の回路図を図２７に示し、斜視図を図２８に示す。

第７実施形態の磁気記憶装置はメモリセルアレイ３００を有している。このメモリセルアレイ３００は、マトリクス状の配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、第１乃至第５実施形態およびそれらの変形例のいずれかの磁気記憶素子１と、例えば、トランジスタからなるスイッチング素子３２０とを備えている。また、メモリセルアレイ３００には、各行に設けられたワード線ＷＬ_１〜ＷＬ_ｍと、各列に設けられた情報読み出し用ビット線ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎと、第１乃至第５実施形態の各項で述べたアシスト手順を実行するためのアシスト配線ＳＬ_１〜ＳＬ_ｎと、が設けられている。例えば、磁気記憶素子１が第１実施形態の場合、アシスト配線ＳＬは磁気記憶素子１内の磁性細線１００に電流磁場を与えるための配線である。磁気記憶素子１が第２実施形態の場合、アシスト配線ＳＬは磁気記憶素子１内の磁性細線１００に接続された磁性層にスピントルクを与える電流を流すための配線である。磁気記憶素子１が第３実施形態の場合、アシスト配線ＳＬは磁気記憶素子１内の磁性細線１００に近接した磁性層に電流磁場を与えるための配線である。磁気記憶素子１が第４実施形態の場合、アシスト配線ＳＬは磁気記憶素子１内の磁性細線１００に接続された磁性層にスピントルクを与える電流を流すための配線である。磁気記憶素子１が第５実施形態の場合、アシスト配線ＳＬは磁気記憶素子１内の磁性細線１００に近接した圧電層に電圧を与える電極の役割を果たす配線である。

第ｉ（１≦ｉ≦ｍ）行のｎ個のメモリセルの磁気記憶素子１はそれぞれ、磁性細線１００が共通に接続されて磁性細線ＭＬ_ｉとなる。なお、各磁気記憶素子１の磁性細線１００は共通に接続されなくてもよい。また、各メモリセルのスイッチング素子３２０は、ゲートが対応する行のワード線ＷＬ_ｉ（１≦ｉ≦ｍ）に接続され、一端が同じメモリセル内の磁気記憶素子１の読み出し部１２０の一端に接続され、他端は接地される。メモリセル内の磁気記憶素子１の読み出し部１２０の他端は、上記メモリセルに対応するビットＢＬ_ｊ（１≦ｊ≦ｎ）に接続される。

これらのワード線ＷＬ_１〜ＷＬ_ｍおよび磁性細線ＭＬ_１〜ＭＬ_ｍは、各配線を選択するデコーダ、書き込み回路等を有する駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂに接続されている。また、ビット線ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎおよびアシスト配線ＳＬ_１〜ＳＬ_ｎは、各配線を選択するデコーダ、読み出し回路等を備えて駆動回路４２０Ａ、４２０Ｂに接続されている。なお、図２７および図２８においては、磁気記憶素子１の書き込み部を省略して、図示していない。書き込み部は、一端が図示しない書き込み選択用のスイッチング素子に接続され、他端が図示しない電流源に接続される。そして、書き込み用のスイッチング素子と、読み出し用のスイッチング素子は共通に用いてもよい。また、複数のメモリセルに対して１個の読み出し部および１個の書き込み部を設けてもよい。この場合は、集積度を高めることができる。また、図２７および図２８に示すように、各メモリセルに１個の読み出し部および１個の書き込み部を設けた場合は、データの転送速度を高めることができる。

メモリセル内でのデータのシフト移動は、まず外部から入力されたアドレス信号を駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂ内のデコーダがデコードし、デコードされたアドレスに応じた磁性細線ＭＬが選択され、この選択された磁性細線ＭＬに電流を流すとともに、メモリセルの磁気記憶素子１が例えば、第１実施形態の磁気記憶素子からなる場合は、第１実施形態で説明したタイミングでアシスト配線ＳＬに電流を流し電流磁場を発生させることにより行われる。磁気記憶素子１が第２実施形態から第５実施形態の磁気記憶素子からなる場合は、電流磁場を発生させる代わりに、それぞれの実施形態の項で述べたアシスト手順が実行される。また、磁壁が移動する方向は、磁性細線ＭＬ中を電子の流れる向きと同じ、すなわち電流の流れる方向と逆になる。

メモリセルへの書き込みは、まず、まず外部から入力されたアドレス信号を駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂ内のデコーダがデコードし、デコードされたアドレスに応じたワード線ＷＬが選択され、対応するスイッチング素子３２０をオンする。次いで、ビット線ＢＬに電流を流すことにより、書き込みが行われる。あるいは、該当する磁性細線ＭＬ中に保存されたデータを必要な分移動させた後、書き込みを行う。

メモリセルに保存されたデータの読み出しは、まず、まず外部から入力されたアドレス信号を駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂ内のデコーダがデコードし、デコードされたアドレスに応じた磁性細線ＭＬが選択され、メモリセル内に磁化方向として保存されたビット列のうち、読み出したいビットが読み出し部に位置に来るようにデータのシフト移動を上述した方法で行う。その後、ワード線ＷＬを選択し、スイッチング素子３２０をオンとし、ビット線ＢＬに電流を流すことにより、読み出しを行う。なお、読み出し電流は、その向きが正であっても負であってもよいが、書き込み電流の絶対値よりも小さな絶対値を有している。これは、読み出しによって保存されたデータが反転しないためである。

なお、図２７および図２８に示したように、アシスト配線ＳＬはビット線に平行としたが、ワード線や磁性細線ＭＬに平行になるように配置することもできる。この場合、１つの配ＳＬを選択し、アシスト手順を実行することにより、アシスト配線に接続された、あるいは近接した磁性細線ＭＬ内の磁気記憶素子１に対してアシスト手順を実行したことになり、複数の磁気記憶素子１に対して同時にシフト移動を行うことができ、磁気記憶装置の消費電力を低減することができる。

なお、本明細書を通じて「垂直」には製造工程のばらつき等による厳密な垂直からのずれが含まれるものとする。同様に、本明細書を通じて、「平行」、「水平」は、厳密な平行、水平を意味するものではない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 磁気記憶素子
１００ 磁性細線
１０１_１〜１０１_８ 磁区
１０４ａ、１０４ｂ 電極
１０５ 磁壁の移動方向
１１０ 書き込み部
１１２ａ、１１２ｂ 電極
１１４ 非磁性層
１１６ 磁化固定層
１２０ 読み出し部
１３０ 磁性層
１３１ 磁化
１５０ 電流源
１５５ 電流
１７０ スピン波発生部
１７２ 磁性層
１７４ 非磁性層
１７６ 磁化固定層
１７７ａ、１７７ｂ 電極
１７８ 反強磁性層
２１０ 配線
２１１ 配線
２１２ 配線
２３０ 配線
２３２ 絶縁体
２４０ スピン波発生部
２４２ 磁性層
２４３ 磁化
２４４ 非磁性層
２４６ 磁化固定層
２４７ａ、２４７ｂ 電極
２４８ 電流源
２４９ 電圧源
２５０ 圧電部
２５２ 圧電層
２５４ａ、２５４ｂ 電極
２８０、２８０Ａ 磁気記憶装置
３００ メモリセルアレイ
３２０ スイッチング素子
４１０Ａ、４１０Ｂ 駆動回路
４２０Ａ、４２０Ｂ 駆動回路

Claims (18)

1. 第１方向に延在し、磁壁により隔てられた複数の磁区を有する磁性細線と、
   前記磁性細線に前記第１方向の電流および前記第１方向と逆方向の電流を流すことが可能な電極と、
   電気的な入力を受け、前記磁性細線の全体または一部の領域の磁壁の移動をアシストするアシスト部と、
   を備えていることを特徴とする磁気記憶素子。
2. 前記磁性細線に電流を流すと同時に、前記アシスト部に電流、または電圧を印加することで、前記磁性細線の全体または一部の領域の磁壁が移動することを特徴とする磁気記憶素子。
3. 前記アシスト部は、前記磁性細線に接続された磁性層と、前記磁性層上に設けられた非磁性層と、前記非磁性層上に設けられ、磁化の方向が固定された磁化固定層と、前記磁性層と前記磁化固定層との間に電流を流すことが可能な電極と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
4. 前記アシスト部は、前記磁性細線に近接して配置された配線を有し、前記配線に電流を流すことにより発生する電流磁場を前記磁性配線に印加することを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
5. 前記アシスト部は、前記磁性細線の少なくとも一部の領域に近接して配置された磁性層と、電流が流れることにより発生する電流磁場を前記磁性層に印加するための配線と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
6. 前記磁性層は、前記磁性細線の少なくとも一部の領域を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項５記載の磁気記憶素子。
7. 前記アシスト部は、前記磁性細線の少なくとも一部の領域に近接して配置された磁性層と、電流が流れることにより発生する電流磁場を前記磁性層に印加するためのコイルと、を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
8. 前記アシスト部は、前記磁性細線の少なくとも一部の領域に近接して配置された磁性層と、前記磁性層上に設けられた非磁性層と、前記非磁性層上に設けられ磁化の方向が固定された磁化固定層と、前記磁性層と前記磁化固定層との間に電流を流す電極と、を備えていることを特徴とする請求項１記載の磁気記憶素子。
9. 前記磁性層は、前記磁性細線の少なくとも一部の領域を取り囲むように設けられていることを特徴とする請求項７記載の磁気記憶素子。
10. 前記アシスト部は、前記磁性細線の少なくとも一部の領域を取り囲むように設けられた圧電層と、前記圧電層に電圧を印加する電極と、を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁気記憶素子。
11. 前記圧電層は、酒石酸カリウムナトリウム、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、四ホウ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、ランガサイト系結晶、または酒石酸カリウムナトリウム四水和物の何れか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の磁気記憶素子。
12. 前記第１方向において前記磁性細線の少なくとも一端に前記圧電層は設けられ、前記第１方向に垂直な方向に設けられた基板と、をさらに備え、前記磁性細線は、Ｃｏ、ＣｏＰｔ、またはＣｏＣｒＰｔの何れか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の磁気記憶素子。
13. 前記圧電層は、前記第１方向において前記磁性細線を取り囲み、前記圧電層の前記磁性細線が設けられた側とは反対側に設けられた基板と、をさらに備え、前記磁性細線は、Ｃｏ層とＮｉ層の積層膜であるか、Ｃｏ、ＣｏＰｔ、またはＦｅＰｔの何れか一つを含むことを特徴とする請求項１０に記載の磁気記憶素子。
14. 複数の磁性細線であって、それぞれが第１方向に延在しかつ磁壁により隔てられた複数の磁区を有する複数の磁性細線と、
    各磁性細線を取り囲むように設けられた圧電層と、
    前記第１方向に沿って設けられ前記圧電層に電圧を印加するための電極と、
    を備えていることを特徴とする磁気記憶装置。
15. マトリクス状に配列された複数の磁性細線であって、それぞれが第１方向に延在しかつ磁壁により隔てられた複数の磁区を有する複数の磁性細線と、
    前記複数の磁性細線の列に対応して、前記複数の磁性細線の上面および下面のうち一方の面に設けられる複数の第１配線と、
    記複数の磁性細線の行に対応して、前記複数の磁性細線の前記一方の面に設けられる複数の第２配線と、
    前記第１方向に直交する面に沿って設けられた圧電層と、
    前記第１方向に直交する面に沿って設けられ前記圧電層に電圧を印加するための電極と、
    を備えていることを特徴とする磁気記憶装置。
16. 前記圧電層および前記電極は、前記複数の磁性細線の上面および下面のうち前記一方の面と同じ側に設けられることを特徴とする請求項１５記載の磁気記憶装置。
17. 前記圧電層および前記電極は、前記複数の磁性細線の上面および下面のうち前記一方の面と反対側の面に設けられることを特徴とする請求項１５記載の磁気記憶装置。
18. 請求項１４乃至１７のいずれかに記載の磁気記憶装置を複数個備え、前記複数の磁気記憶装置がマトリクス状に配列されていることを特徴とする磁気メモリ。