JP2017168514A - Magnetic element, method for manufacturing magnetic element, and magnetic memory device - Google Patents

Magnetic element, method for manufacturing magnetic element, and magnetic memory device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide magnetic elements where a magnetic structure moving at high speed more stably than a conventional magnetic structure by current drive is formed.SOLUTION: A magnetic element includes a first magnetic layer and a second magnetic layer which are magnetized in a direction perpendicular to the surface and antiferromagnetic exchange coupled. In the first magnetic layer and the second magnetic layer, a pair of spiral magnetic structures whose directions of rotation are opposite when seen from the first magnetic layer side are formed. In the central part of the respective spiral magnetic structures and outside the spiral magnetic structures, directions of magnetic moments are anti-parallel. The pair of spiral magnetic structures are manufactured via a step in which to irradiate laser beam to a part of the first magnetic layer and perform local heating and a step in which to apply an external magnetic field in the opposite direction to a magnetization direction to the direction of the first magnetic layer and inverts the magnetic moment in the part of the first magnetic layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、新規な磁気構造が形成された磁気素子、磁気素子を製造する方法、および磁気素子を備えた磁気メモリ装置に関する。   The present invention relates to a magnetic element having a novel magnetic structure, a method for manufacturing the magnetic element, and a magnetic memory device including the magnetic element.

従来、消費電力を低減させる観点から、記憶したデータを保持するための電力を必要としない不揮発性メモリの開発が進められている。不揮発性メモリとして、磁気モーメントの向き(磁性体の磁化方向)をデータの記憶に用いるMRAM(Magnetic Random Access Memory)などの磁気素子が知られている。MRAMに用いられる磁気素子(磁気抵抗効果素子)は、スペーサ層を挟んで、磁気モーメントの向きが固定された磁性層(固定層)と、外部磁場により磁気モーメントの向きが変化する磁性層(フリー層)とを備えており、フリー層の磁気モーメントの向きに応じて磁気抵抗素子の電気抵抗が変化する性質を利用して、データを読み書きするように構成されている。   Conventionally, from the viewpoint of reducing power consumption, development of a non-volatile memory that does not require power to hold stored data has been underway. As a nonvolatile memory, a magnetic element such as an MRAM (Magnetic Random Access Memory) that uses the direction of a magnetic moment (the magnetization direction of a magnetic material) for data storage is known. The magnetic element (magnetoresistance effect element) used in the MRAM includes a magnetic layer (fixed layer) in which the direction of the magnetic moment is fixed with a spacer layer in between, and a magnetic layer (free layer) in which the direction of the magnetic moment is changed by an external magnetic field And is configured to read and write data using the property that the electric resistance of the magnetoresistive element changes according to the direction of the magnetic moment of the free layer.

一方、磁気素子に形成された磁気構造を電流駆動してデータを読み書きする研究が行われている。例えば、非特許文献1には、レーストラックメモリと称される、細長いワイヤ状の磁性体(磁気ナノワイヤ)に形成されたパターン状の磁区の境界(磁壁)を電流駆動してデータを磁壁移動型メモリが記載されている。磁壁移動型メモリでは、磁壁のサイズを充分に小さくすることにより、記憶されるデータの高密度化が期待されている。   On the other hand, studies have been conducted to read / write data by driving a magnetic structure formed in a magnetic element. For example, Non-Patent Document 1 discloses that data is driven by current by driving a boundary (domain wall) of a patterned magnetic domain formed on an elongated wire-shaped magnetic body (magnetic nanowire), which is called a racetrack memory. Memory is listed. In the domain wall motion type memory, the density of stored data is expected to be increased by sufficiently reducing the domain wall size.

ここで、磁気素子に形成される磁気構造として、垂直磁化膜に形成された円筒状の磁区である磁気バブルが知られている。垂直磁化膜は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が膜面に対して垂直な方向(面直方向)を向いたものである。磁気バブルは、面直方向であって垂直磁化膜の磁化方向とは逆向きに磁場を印加したときに形成される。   Here, as a magnetic structure formed in a magnetic element, a magnetic bubble which is a cylindrical magnetic domain formed in a perpendicular magnetization film is known. The perpendicular magnetization film is a ferromagnetic thin film having uniaxial anisotropy, and has an easy axis of magnetization oriented in a direction perpendicular to the film surface (perpendicular direction). A magnetic bubble is formed when a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the plane and opposite to the magnetization direction of the perpendicular magnetization film.

磁気バブルは、磁性体に形成される通常の磁壁よりも移動速度が大きいため、磁気バブルを用いた磁気バブルメモリは、通常の磁壁移動型メモリよりも小さい消費電力で動作することが期待されている。   Since a magnetic bubble has a higher moving speed than a normal domain wall formed in a magnetic material, a magnetic bubble memory using a magnetic bubble is expected to operate with lower power consumption than a normal domain wall moving memory. Yes.

Parkin, et al., Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory, Science, 320, 190 (11 April 2008), doi:10.1126/science.1145799Parkin, et al., Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory, Science, 320, 190 (11 April 2008), doi: 10.1126 / science.1145799

しかし、磁気バブルを電流駆動した場合、その移動の安定性が低いため、磁気バブルメモリの動作も不安定になるか動作しないことが懸念されている。   However, there is a concern that when the magnetic bubble is driven by current, its movement stability is low, and the operation of the magnetic bubble memory becomes unstable or does not operate.

本発明は、電流駆動により、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する磁気構造が形成された磁気素子を提供することを第1の課題とする。   A first object of the present invention is to provide a magnetic element in which a magnetic structure that moves more stably and at a higher speed than a conventional magnetic structure is formed by current driving.

本発明は、従来技術よりも小さい消費電力で安定して動作する不揮発性メモリを提供することを第2の課題とする。   A second object of the present invention is to provide a nonvolatile memory that operates stably with lower power consumption than the prior art.

本発明の第1の態様では、
面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第1磁性層および第2磁性層を備え、
前記第1磁性層および前記第2磁性層には、前記第1磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造が形成され、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、
磁気素子が提供される。
In the first aspect of the present invention,
A first magnetic layer and a second magnetic layer magnetized in a direction perpendicular to the plane and antiferromagnetic exchange coupled;
The first magnetic layer and the second magnetic layer are formed with a pair of spiral magnetic structures whose rotational directions are opposite to each other when viewed from the first magnetic layer side,
The direction of the magnetic moment is antiparallel between the center of each vortex magnetic structure and the outside of the vortex magnetic structure.
A magnetic element is provided.

本発明の第2の態様では、
面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第1磁性層および第2磁性層を備えた積層体を準備するステップと、
前記第1磁性層の一部にレーザ光を照射して局所的な加熱を行うステップと、
前記第1磁性層の磁化方向と逆向きに外部磁場を印加し、前記第1磁性層の一部で磁気モーメントを反転させるステップとを含む、
磁気素子の製造方法が提供される。
In the second aspect of the present invention,
Providing a laminate comprising a first magnetic layer and a second magnetic layer magnetized in a perpendicular direction and antiferromagnetic exchange coupled;
Irradiating a part of the first magnetic layer with a laser beam to perform local heating;
Applying an external magnetic field in a direction opposite to the magnetization direction of the first magnetic layer, and reversing the magnetic moment in a part of the first magnetic layer,
A method for manufacturing a magnetic element is provided.

本発明の第3の態様では、
磁気素子と、
前記磁気素子にデータを書き込むための書込部と、
前記磁気素子に書き込まれたデータを読み出すための読出部とを備え、
前記磁気素子は、面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第1磁性層および第2磁性層を有し、
前記書込部は、前記第1磁性層および前記第2磁性層に、前記第1磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造を形成するように構成され、
前記読出部は、前記磁気素子に前記一対の渦状磁気構造が存在するか否かを、1ビットのデータとして読み出すように構成され、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、
磁気メモリ装置が提供される。
In the third aspect of the present invention,
A magnetic element;
A writing unit for writing data to the magnetic element;
A reading unit for reading data written in the magnetic element,
The magnetic element has a first magnetic layer and a second magnetic layer that are magnetized in a perpendicular direction and are antiferromagnetic exchange coupled,
The writing unit is configured to form a pair of spiral magnetic structures whose rotation directions are opposite to each other when viewed from the first magnetic layer side in the first magnetic layer and the second magnetic layer,
The reading unit is configured to read whether or not the pair of spiral magnetic structures exists in the magnetic element as 1-bit data,
The direction of the magnetic moment is antiparallel between the center of each vortex magnetic structure and the outside of the vortex magnetic structure.
A magnetic memory device is provided.

本発明の第1の態様によれば、
電流駆動により、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する一対の渦状磁気構造が形成された磁気素子を得ることができる。
According to a first aspect of the invention,
By current driving, it is possible to obtain a magnetic element having a pair of vortex magnetic structures that move more stably and at a higher speed than conventional magnetic structures.

本発明の第2の態様によれば、
電流駆動により、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する一対の渦状磁気構造が形成された磁気素子を容易に得ることができる。
According to a second aspect of the invention,
By current driving, it is possible to easily obtain a magnetic element having a pair of vortex magnetic structures that move more stably and at a higher speed than conventional magnetic structures.

本発明の第3の態様によれば、
従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する一対の渦状磁気構造が磁気素子に形成されていることにより、従来技術よりも小さい消費電力で安定して動作する不揮発性のメモリ装置を得ることができる。
According to a third aspect of the invention,
A non-volatile memory device that operates stably with lower power consumption than that of the prior art is obtained by forming a pair of spiral magnetic structures that move more stably and at a higher speed than conventional magnetic structures in the magnetic element. Can do.

本発明の実施形態1に係る磁気素子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the magnetic element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 第1磁性層に形成された磁気構造を示す図である。It is a figure which shows the magnetic structure formed in the 1st magnetic layer. 第2磁性層に形成された磁気構造を示す図である。It is a figure which shows the magnetic structure formed in the 2nd magnetic layer. 本発明の実施形態1に係る磁気素子を製造する方法に含まれる準備ステップを示す図である。It is a figure which shows the preparatory step included in the method of manufacturing the magnetic element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る磁気素子を製造する方法に含まれるレーザ照射ステップを示す図である。It is a figure which shows the laser irradiation step included in the method of manufacturing the magnetic element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態1に係る磁気素子を製造する方法に含まれる磁場印加ステップを示す図である。It is a figure which shows the magnetic field application step included in the method of manufacturing the magnetic element which concerns on Embodiment 1 of this invention. 磁気素子における磁場印加ステップ後の磁気モーメントの挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the magnetic moment after the magnetic field application step in a magnetic element. 磁気素子における磁場印加ステップ後の磁気モーメントの挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior of the magnetic moment after the magnetic field application step in a magnetic element. 実施例の磁気素子と比較例の磁気素子にそれぞれ形成された磁気構造を、シミュレーションにより電流駆動したときの速度を比較したグラフである。It is the graph which compared the speed when the magnetic structure formed in the magnetic element of an Example and the magnetic element of a comparative example each was current-driven by simulation. 実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対をシミュレーションにより電流駆動したときの速度を、駆動電流の電流密度に対してプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the speed | velocity | rate when carrying out the electric current drive of the vortex-like magnetic structure pair formed in the magnetic element of an Example with respect to the current density of a drive current. 比較例1の磁気素子の上に形成された磁気バブルをシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。It is a figure which shows the behavior when the magnetic bubble formed on the magnetic element of the comparative example 1 is current-driven by simulation. TbFeCo層の上に形成された磁気バブルを極カー効果顕微鏡により撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the magnetic bubble formed on the TbFeCo layer with the polar Kerr effect microscope. TbFeCo層の上に形成された磁気バブルを電流駆動したときの挙動を極カー効果顕微鏡により撮影した写真である。It is the photograph which image | photographed the behavior when the magnetic bubble formed on the TbFeCo layer was current-driven with the polar Kerr effect microscope. 実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対をシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。It is a figure which shows a behavior when the vortex magnetic structure pair formed in the magnetic element of an Example is current-driven by simulation. 本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置を示す図である。It is a figure which shows the magnetic memory device based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置の読出部を示す図である。It is a figure which shows the read-out part of the magnetic memory device based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置でのデータの読出しを示す図である。It is a figure which shows reading of the data in the magnetic memory apparatus based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置の読出部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the read-out part of the magnetic memory device based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置でのデータの書込みを示す図である。It is a figure which shows writing of the data in the magnetic memory device based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置でのデータの転送を示す図である。It is a figure which shows transfer of the data in the magnetic memory apparatus based on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置を示す図である。It is a figure which shows the magnetic memory device based on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部を示す図である。It is a figure which shows the drive part for data transfers of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the data transfer drive part of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the data transfer drive part of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the data transfer drive part of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the data transfer drive part of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the data transfer drive part of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the data transfer drive part of the magnetic memory apparatus which concerns on Embodiment 3 of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、必要に応じて特定の方向を示す用語(「上」、「下」など)を用いるが、これらは本発明の理解を容易にするために用いているのであって、本発明の範囲を限定する目的で用いていると理解するべきではない。なお、説明の都合上、図面に記載されたZ方向を上下方向と称し、+Z方向を上方向、−Z方向を下方向とする。また、図面に記載されたX方向とY方向は、互いに垂直な方向であって、Z方向に垂直な方向である。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In the following description, terms indicating a specific direction (“up”, “down”, etc.) are used as necessary, but these are used to facilitate understanding of the present invention. It should not be understood that it is used for the purpose of limiting the scope. For convenience of explanation, the Z direction described in the drawings is referred to as the up-down direction, the + Z direction is the upward direction, and the −Z direction is the downward direction. Further, the X direction and the Y direction described in the drawings are directions perpendicular to each other and perpendicular to the Z direction.

[実施形態1]
(磁気素子1の構成)
図1に示すように、磁気素子1は、第1磁性層10、第2磁性層20、および、第1磁性層10と第2磁性層20との間に設けられた非磁性層30を備える。第1磁性層10と第2磁性層20は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が膜面に対して垂直な方向を向いた垂直磁化膜である。第1磁性層10と第2磁性層20は、好ましくは、同じ厚さを有する。磁気素子1は、例えば絶縁基板の上に設けられている。
[Embodiment 1]
(Configuration of magnetic element 1)
As shown in FIG. 1, the magnetic element 1 includes a first magnetic layer 10, a second magnetic layer 20, and a nonmagnetic layer 30 provided between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. . The first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 are ferromagnetic thin films having uniaxial anisotropy, and are perpendicular magnetization films having easy axes of magnetization oriented in a direction perpendicular to the film surface. The first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 preferably have the same thickness. The magnetic element 1 is provided on an insulating substrate, for example.

第1磁性層10と第2磁性層20を構成する強磁性体の例は、TbFeCo(テルビウム鉄コバルト)、CoFeB(コバルト鉄ボロン)、CoPt(コバルト白金)、CoCrPt(コバルトクロム白金)、CoFeSi(コバルト鉄ケイ素)、MnSi(シリコマンガン)などの合金である。第1磁性層10と第2磁性層20を構成する強磁性体には、キュリー温度が周囲温度(例えば室温)より高い材料が用いられる。前記キュリー温度は、磁気素子1に電流を流したときに発生するジュール熱により第1磁性層10と第2磁性層20の温度が上昇しても、超えられない程度に高いことが好ましい。垂直磁化膜は、強磁性薄膜の格子構造を歪ませることで容易に作成できるので、第1磁性層10と第2磁性層20を構成する材料として、例示したものの他、多くの強磁性体を用いることができる。   Examples of the ferromagnetic material constituting the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 are TbFeCo (terbium iron cobalt), CoFeB (cobalt iron boron), CoPt (cobalt platinum), CoCrPt (cobalt chromium platinum), CoFeSi ( It is an alloy such as cobalt iron silicon) or MnSi (silicomanganese). A material that has a Curie temperature higher than an ambient temperature (for example, room temperature) is used for the ferromagnetic material constituting the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. The Curie temperature is preferably high enough not to exceed the temperature of the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 due to Joule heat generated when a current is passed through the magnetic element 1. Since the perpendicular magnetization film can be easily formed by distorting the lattice structure of the ferromagnetic thin film, many ferromagnetic materials can be used as materials constituting the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 in addition to the exemplified materials. Can be used.

ここで、一般に、非磁性層を挟んで2つの強磁性層を設けた場合、非磁性層の厚さに応じて2つの強磁性層の結合の強さが変化する(例えば、S.S.P.Parkin, Phys, Rev. Lett 67, 3598(1991)を参照)。そして、2つの強磁性層は、非磁性層の厚さに応じて強磁性交換結合または反強磁性交換結合する。強磁性交換結合の場合、2つの強磁性層の磁気モーメントは互いに同じ方向を向き、反強磁性交換結合の場合、2つの強磁性層の磁気モーメントは互いに反対の方向を向く。   Here, in general, when two ferromagnetic layers are provided with a nonmagnetic layer interposed therebetween, the coupling strength of the two ferromagnetic layers changes according to the thickness of the nonmagnetic layer (for example, SSPParkin, Phys Rev. Lett 67, 3598 (1991)). The two ferromagnetic layers are ferromagnetic exchange coupled or antiferromagnetic exchange coupled depending on the thickness of the nonmagnetic layer. In the case of ferromagnetic exchange coupling, the magnetic moments of the two ferromagnetic layers are directed in the same direction, and in the case of antiferromagnetic exchange coupling, the magnetic moments of the two ferromagnetic layers are directed in opposite directions.

非磁性層30は、第1磁性層10と第2磁性層20とが反強磁性交換結合する厚さを有する。非磁性層30の厚さは、例えば約2nm以下である。非磁性層30を構成する非磁性体または常磁性体は、好ましくは、白金(Pt)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)などのスピン軌道相互作用が大きい金属である。   The nonmagnetic layer 30 has a thickness at which the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 are antiferromagnetic exchange coupled. The thickness of the nonmagnetic layer 30 is, for example, about 2 nm or less. The nonmagnetic or paramagnetic material constituting the nonmagnetic layer 30 is preferably a metal having a large spin orbit interaction, such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh).

第1磁性層10は、後述する渦状磁気構造11の部分を除いて、膜面に対して垂直な方向(以下、面直方向と称す)のうち下方向(−Z方向)に磁化されている。第2磁性層20は、後述する渦状磁気構造21の部分を除いて、面直方向のうち上方向(+Z方向)に磁化されている。   The first magnetic layer 10 is magnetized in a downward direction (−Z direction) in a direction perpendicular to the film surface (hereinafter referred to as a perpendicular direction) except for a spiral magnetic structure 11 described later. . The second magnetic layer 20 is magnetized in the upward direction (+ Z direction) in the perpendicular direction except for a portion of a spiral magnetic structure 21 described later.

第1磁性層10と第2磁性層20の磁化方向は、説明したものと逆であってもよい。すなわち、第1磁性層10が、後述する渦状磁気構造11の部分を除いて、面直方向のうち上方向(+Z方向)に磁化され、第2磁性層20が、後述する渦状磁気構造21の部分を除いて、面直方向のうち下方向(−Z方向)に磁化されていてもよい。このとき、渦状磁気構造11,21における磁化方向も上下逆になる。   The magnetization directions of the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 may be opposite to those described. That is, the first magnetic layer 10 is magnetized in the upward direction (+ Z direction) in the perpendicular direction except for a portion of a spiral magnetic structure 11 described later, and the second magnetic layer 20 is formed of a spiral magnetic structure 21 described later. Except for the portion, it may be magnetized in the downward direction (−Z direction) in the perpendicular direction. At this time, the magnetization directions in the spiral magnetic structures 11 and 21 are also reversed upside down.

第1磁性層10には、渦状磁気構造11が形成されている。図1、図2に示すように、渦状磁気構造11では、中心部(コア)に位置する複数の原子(以下、原子群と称す)の磁気モーメント12が上方向(+Z方向)を向いている。前述の通り、渦状磁気構造11の外部における磁気モーメント13は下方向を向いている。このように、渦状磁気構造11の中心部と渦状磁気構造11の外部とで、磁気モーメントの向きは反平行である。   A spiral magnetic structure 11 is formed in the first magnetic layer 10. As shown in FIGS. 1 and 2, in the spiral magnetic structure 11, magnetic moments 12 of a plurality of atoms (hereinafter referred to as atomic groups) located in the central portion (core) are directed upward (+ Z direction). . As described above, the magnetic moment 13 outside the spiral magnetic structure 11 is directed downward. Thus, the direction of the magnetic moment is antiparallel between the central portion of the vortex magnetic structure 11 and the outside of the vortex magnetic structure 11.

本実施形態では、渦状磁気構造11の中心部に位置する原子群と外部における磁気モーメント13との間における磁気モーメント14は、面内成分を有する。また、磁気モーメント14は、渦状磁気構造11の外部から中心部に向かって渦を巻きながら倒れこみ、徐々に上向きの面直成分が増加している。ただし、磁気モーメント14の向きはこれに限定されない。   In the present embodiment, the magnetic moment 14 between the atomic group located at the center of the spiral magnetic structure 11 and the external magnetic moment 13 has an in-plane component. Further, the magnetic moment 14 collapses while spiraling from the outside of the spiral magnetic structure 11 toward the central portion, and the upward perpendicular component increases gradually. However, the direction of the magnetic moment 14 is not limited to this.

第2磁性層20には、渦状磁気構造21が形成されている。図1、図3に示すように、渦状磁気構造21では、中心部(コア)における磁気モーメント22が下方向(−Z方向)を向いている。前述の通り、渦状磁気構造21の外部における磁気モーメント23は上方向を向いている。このように、渦状磁気構造21の中心部と渦状磁気構造21の外部とで、磁気モーメントの向きは反平行である。   A spiral magnetic structure 21 is formed in the second magnetic layer 20. As shown in FIGS. 1 and 3, in the spiral magnetic structure 21, the magnetic moment 22 at the center (core) is directed downward (−Z direction). As described above, the magnetic moment 23 outside the spiral magnetic structure 21 is directed upward. Thus, the direction of the magnetic moment is antiparallel between the central portion of the vortex magnetic structure 21 and the outside of the vortex magnetic structure 21.

本実施形態では、渦状磁気構造21の中心部に位置する原子群と外部に位置する原子群との間における磁気モーメント24は、面内成分を有する。また、磁気モーメント24は、渦状磁気構造21の外部から中心部に向かって渦を巻きながら徐々に倒れこみ、徐々に下向きの面直成分が増加している。ただし、磁気モーメント24の向きはこれに限定されない。   In the present embodiment, the magnetic moment 24 between the atomic group located at the center of the spiral magnetic structure 21 and the atomic group located outside has an in-plane component. Further, the magnetic moment 24 gradually falls down while vortexing from the outside of the spiral magnetic structure 21 toward the central portion, and the downward perpendicular surface component gradually increases. However, the direction of the magnetic moment 24 is not limited to this.

第1磁性層10と第2磁性層20に形成された一対の渦状磁気構造(以下、渦状磁気構造対と称す)11,21は、第1磁性層10側から見て(または第2磁性層20側から見て)互いに回転方向が逆向きである。   A pair of spiral magnetic structures (hereinafter referred to as spiral magnetic structure pairs) 11 and 21 formed in the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 are viewed from the first magnetic layer 10 side (or the second magnetic layer). The directions of rotation are opposite to each other (seen from the 20 side).

渦状磁気構造対11,21は、第1磁性層10と第2磁性層20の厚さ方向(Z方向)に連続して形成されており、磁気バブルと同様に円筒状または円柱状の磁区構造(または磁壁)であると考えることができる。渦状磁気構造対11,21を構成する円筒または円柱の円の直径は、例えば約10nm以上約300nm以下であってもよい。前記直径を小さくすることにより、例えば、実施形態2で説明する磁気メモリの集積度を大きくすることができるという効果が得られる。渦状磁気構造11(渦状磁気構造21)のうち、第1磁性層10(第2磁性層20)の上面での円の直径と下面での円の直径とは、第1磁性層10(第2磁性層20)の厚さと材料、および、非磁性層30の厚さと材料に応じて異なりうる。   The vortex magnetic structure pairs 11 and 21 are formed continuously in the thickness direction (Z direction) of the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20, and are cylindrical or columnar magnetic domain structures like magnetic bubbles. (Or a domain wall). For example, the diameter of the circular circle of the cylinder or the column constituting the pair of spiral magnetic structures 11 and 21 may be about 10 nm or more and about 300 nm or less. By reducing the diameter, for example, it is possible to increase the degree of integration of the magnetic memory described in the second embodiment. Of the vortex magnetic structure 11 (vortex magnetic structure 21), the diameter of the circle on the upper surface of the first magnetic layer 10 (second magnetic layer 20) and the diameter of the circle on the lower surface of the first magnetic layer 10 (second magnetic layer 10). It may vary depending on the thickness and material of the magnetic layer 20) and the thickness and material of the nonmagnetic layer 30.

なお、図2、図3に示している矢印は、1つの原子の磁気モーメントを示しているのではなく、原子群の磁気モーメントを示している。したがって、本明細書における「領域における磁気モーメント」という表現は、当該領域に含まれる原子群の磁気モーメントを意味する。また、図2、図3では、説明の都合上、一点鎖線の内部を渦状磁気構造11として画定しているが、例えば、磁気モーメントが実質的に面内成分を有しない領域を、「渦状磁気構造11の外部」として画定することができる。   The arrows shown in FIGS. 2 and 3 do not indicate the magnetic moment of one atom, but indicate the magnetic moment of an atomic group. Therefore, the expression “magnetic moment in a region” in this specification means the magnetic moment of an atomic group included in the region. 2 and 3, for the convenience of explanation, the inside of the alternate long and short dash line is defined as the spiral magnetic structure 11. For example, a region where the magnetic moment has substantially no in-plane component is indicated as “vortex magnetic structure”. Can be defined as "outside of structure 11".

磁気素子1に形成された渦状磁気構造対11,21は、新規な磁気構造であり、従来の磁気構造(磁気バブルなど)と比べて、電流駆動により安定して高速で移動し、かつ、電流駆動による移動の閾値も小さい。この効果は、後述のシミュレーションにより確認されることになる。また、渦状磁気構造対11,21では、磁気素子1に電流が流れているときだけでなく、磁気素子1に電流が流れていないときにも安定している。   The pair of vortex magnetic structures 11 and 21 formed in the magnetic element 1 is a novel magnetic structure, and can move stably and at high speed by current driving as compared with conventional magnetic structures (such as magnetic bubbles) and The threshold for movement by driving is also small. This effect will be confirmed by a simulation described later. The spiral magnetic structure pairs 11 and 21 are stable not only when a current flows through the magnetic element 1 but also when a current does not flow through the magnetic element 1.

(磁気素子1を製造する方法)
次に、磁気素子1を製造する方法を、図4から図8を用いて説明する。なお、図5から図8において、磁気モーメントが下向きの範囲を白抜きで示し、磁気モーメントが上向きの範囲にハッチングを付し、磁気モーメントが面内成分を有する範囲にドットを付している。前記方法は、これに限定されないが、例えば大気圧下、室温下で実施される。
(Method of manufacturing magnetic element 1)
Next, a method for manufacturing the magnetic element 1 will be described with reference to FIGS. In FIGS. 5 to 8, the range in which the magnetic moment is downward is shown in white, the range in which the magnetic moment is upward is hatched, and the range in which the magnetic moment has an in-plane component is dotted. Although the said method is not limited to this, For example, it implements under atmospheric pressure and room temperature.

前記方法は、第1磁性層10、第2磁性層20および非磁性層30を備えた積層体40を準備するステップ101を含む(図4を参照)。積層体40は、例えば絶縁基板の上に、蒸着などの方法により、第2磁性層20、非磁性層30および第1磁性層10を積層させて設けられる。   The method includes a step 101 of preparing a laminate 40 including a first magnetic layer 10, a second magnetic layer 20, and a nonmagnetic layer 30 (see FIG. 4). The laminated body 40 is provided by laminating the second magnetic layer 20, the nonmagnetic layer 30, and the first magnetic layer 10 on an insulating substrate by a method such as vapor deposition.

前記方法は、第1磁性層10の面内の一部の領域15(図5の点線の内部)にレーザ光50を照射するステップ102を含む。レーザ照射ステップ102により、領域15に含まれる原子群の温度が上昇する。レーザ光50の照射範囲(またはビーム径)は、第1磁性層10に形成する渦状磁気構造11の大きさに対応する。レーザ光50の照射パラメータ(レーザ光の波長、照射時間など)は、ステップ102で、領域15に位置する原子群が、強磁性体から常磁性体への転移温度であるキュリー温度より高い目標温度となるように設定される。キュリー温度が約140度であるTbFeCoの場合、前記目標温度は、例えば150度に設定される。このとき、第1磁性層10と第2磁性層20を構成する強磁性体のキュリー温度が低いほど、目標温度を低くでき、従って照射するレーザ光50のエネルギーを小さくできるという利点がある。領域15では、原子群の温度が上昇することで飽和磁化が低下し、他の領域16よりも小さい外部磁場で磁気モーメントを制御できるようになる。   The method includes a step 102 of irradiating a laser beam 50 to a partial region 15 (inside the dotted line in FIG. 5) in the plane of the first magnetic layer 10. By the laser irradiation step 102, the temperature of the atomic group included in the region 15 increases. The irradiation range (or beam diameter) of the laser beam 50 corresponds to the size of the spiral magnetic structure 11 formed in the first magnetic layer 10. The irradiation parameters of the laser beam 50 (the wavelength of the laser beam, the irradiation time, etc.) are the target temperatures at which the atomic group located in the region 15 is higher than the Curie temperature, which is the transition temperature from the ferromagnetic material to the paramagnetic material. Is set to be In the case of TbFeCo having a Curie temperature of about 140 degrees, the target temperature is set to 150 degrees, for example. At this time, the lower the Curie temperature of the ferromagnetic material constituting the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20, the lower the target temperature, and thus the lower the energy of the laser beam 50 to be irradiated. In the region 15, the saturation magnetization decreases as the temperature of the atomic group rises, and the magnetic moment can be controlled with an external magnetic field smaller than those in the other regions 16.

前記方法は、第1磁性層10の磁化方向(下方向、−Z方向)と逆方向(上方向、+Z方向)の外部磁場60を印加するステップ103を含む(図6を参照)。外部磁場60の大きさは、温度が上昇している領域15における磁気モーメントが反転する程度に大きく、他の領域16の磁気モーメントが反転しない程度に小さい。磁場印加ステップ103により、領域15における磁気モーメントは外部磁場60と同じ上向きに反転し、他の領域16における磁気モーメントは外部磁場60と反対の下方向を向いたままとなる。また、領域15の外側の領域17における磁気モーメントは、面内成分を有するように傾斜する(面内で寝る)。なお、外部磁場60を印可し始めるタイミングは、レーザ光50を照射するステップ102より前であってもよい。磁場印加ステップ103は、例えば約10ナノ秒以下で終了する。   The method includes a step 103 of applying an external magnetic field 60 in the opposite direction (upward direction, + Z direction) to the magnetization direction (downward direction, -Z direction) of the first magnetic layer 10 (see FIG. 6). The magnitude of the external magnetic field 60 is so large that the magnetic moment in the region 15 where the temperature is rising is reversed, and so small that the magnetic moment in the other region 16 is not reversed. Due to the magnetic field application step 103, the magnetic moment in the region 15 is reversed in the same upward direction as that of the external magnetic field 60, and the magnetic moments in the other regions 16 remain in the downward direction opposite to the external magnetic field 60. Further, the magnetic moment in the region 17 outside the region 15 is inclined so as to have an in-plane component (sleeps in the plane). The timing at which the external magnetic field 60 starts to be applied may be before step 102 in which the laser beam 50 is irradiated. The magnetic field application step 103 is completed in about 10 nanoseconds or less, for example.

図7に示すように、磁場印加ステップ103の後、磁気モーメントが面内成分を有する領域17の範囲が拡大する。これは、磁場印加ステップ103の後、領域17における磁気モーメントが第2磁性層20における磁気モーメントと反強磁性交換結合し、安定な状態へと推移するためである。これと同時に、第2磁性層20で領域17に対応する領域27における磁気モーメントが面内成分を有するようになる。   As shown in FIG. 7, after the magnetic field applying step 103, the range of the region 17 where the magnetic moment has an in-plane component is expanded. This is because, after the magnetic field application step 103, the magnetic moment in the region 17 is antiferromagnetically exchanged with the magnetic moment in the second magnetic layer 20 and transitions to a stable state. At the same time, the magnetic moment in the region 27 corresponding to the region 17 in the second magnetic layer 20 has an in-plane component.

図8に示すように、図7に示す状態の後、第2磁性層20の領域27の内部にあって、第1磁性層10の領域15に対応する領域25における磁気モーメントが下向きに反転する。これは、図7の状態で、既に第1磁性層10で安定した磁気構造に対して、第2磁性層20に形成された不安定な磁気構造が安定化しようとするからである。このようにして、第1磁性層10に渦状磁気構造11が形成され、第2磁性層20に、第1磁性層10側から見て(または第2磁性層20側から見て)渦状磁気構造11とは逆向きの渦状磁気構造21が形成される。中心部の領域15,25における磁気モーメントは、外部の領域16,26における磁気モーメントとそれぞれ反平行である。また、第1磁性層10の領域15,16における磁気モーメントは、第2磁性層の領域25,26における磁気モーメントと反平行である。   As shown in FIG. 8, after the state shown in FIG. 7, the magnetic moment in the region 25 in the region 27 of the second magnetic layer 20 corresponding to the region 15 of the first magnetic layer 10 is reversed downward. . This is because the unstable magnetic structure formed in the second magnetic layer 20 tends to stabilize with respect to the magnetic structure already stable in the first magnetic layer 10 in the state of FIG. In this way, the vortex magnetic structure 11 is formed in the first magnetic layer 10, and the vortex magnetic structure is seen in the second magnetic layer 20 when viewed from the first magnetic layer 10 side (or viewed from the second magnetic layer 20 side). Thus, a spiral magnetic structure 21 is formed in the direction opposite to that in FIG. The magnetic moments in the central regions 15 and 25 are antiparallel to the magnetic moments in the external regions 16 and 26, respectively. The magnetic moment in the regions 15 and 16 of the first magnetic layer 10 is antiparallel to the magnetic moment in the regions 25 and 26 of the second magnetic layer.

ステップ103を開始して渦状磁気構造対11,21が形成されるまでの時間は、印加する外部磁場の大きさにも依存するが、例えば、約2ナノ秒以下とすることができる。このように、レーザ照射ステップ102と磁場印加ステップ103とにより、渦状磁気構造対が形成された磁気素子1を迅速かつ容易に得ることができる。   The time from the start of step 103 to the formation of the spiral magnetic structure pairs 11 and 21 depends on the magnitude of the applied external magnetic field, but can be, for example, about 2 nanoseconds or less. As described above, the laser irradiation step 102 and the magnetic field application step 103 can quickly and easily obtain the magnetic element 1 in which the spiral magnetic structure pair is formed.

(シミュレーション)
次に、実施形態1に係る磁気素子1の効果を確認するため、第1磁性層10と第2磁性層20を小さなセルで区切り、各セルについて、下記式(1)に示す磁気モーメントの運動方程式(ランダウ−リフシッツ−ギルバート方程式)を解くマイクロマグネティクスシミュレーションを行った。
(simulation)
Next, in order to confirm the effect of the magnetic element 1 according to the first embodiment, the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 are separated by small cells, and for each cell, the motion of the magnetic moment represented by the following formula (1) A micromagnetic simulation was performed to solve the equation (Landau-Lifschitz-Gilbert equation).

磁気素子1の実施例として、ストライプ形状を有する磁性細線を用いた。第1磁性層10と第2磁性層20は、厚さ5nmのTbFeCoであるとし、さらに、厚さ0nmの非磁性層30を導入した。言い換えると、第1磁性層10と第2磁性層20との間の距離を0とすると共に、非磁性層30の物質パラメータは取り入れず、第1磁性層10と第2磁性層20との交換エネルギーをパラメータとして取り入れた。セルサイズは、縦10nm×横10nm×厚さ5nmとした。   As an example of the magnetic element 1, a magnetic thin wire having a stripe shape was used. The first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 were made of TbFeCo having a thickness of 5 nm, and a nonmagnetic layer 30 having a thickness of 0 nm was further introduced. In other words, the distance between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 is set to 0, and the material parameter of the nonmagnetic layer 30 is not taken in, and the exchange between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 is performed. Energy was taken as a parameter. The cell size was 10 nm long × 10 nm wide × 5 nm thick.

前記式(1)において、mは磁化ベクトルである。また、γは電子の磁気回転比であり、その大きさは1.76・107rad/(s・Oe)である。 In the formula (1), m is a magnetization vector. Γ is the gyromagnetic ratio of electrons, and its magnitude is 1.76 · 10 7 rad / (s · Oe).

前記式(1)において、Heffは、磁気モーメントが受ける有効磁場であり、各セルの磁化が作る磁場と異方性磁場との和である。異方性磁場は、最近接セル間の交換エネルギー、第1磁性層10と第2磁性層20との間の交換エネルギーから求まる交換場、および、垂直磁化の磁気異方性エネルギーから求められる(Japanese journal of applied physics vol.28, No.12, December, 1989, pp. 2485-2507の式(2)から式(4)を参照)。 In the formula (1), H eff is an effective magnetic field received by the magnetic moment, and is the sum of the magnetic field created by the magnetization of each cell and the anisotropic magnetic field. The anisotropic magnetic field is obtained from the exchange energy between the nearest cells, the exchange field obtained from the exchange energy between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20, and the magnetic anisotropy energy of perpendicular magnetization ( Japanese journal of applied physics vol.28, No.12, December, 1989, pp. 2485-2507 (see formulas (2) to (4)).

最近接セル間の交換エネルギーは、交換スティフネス定数Aを用いて計算される。交換スティフネス定数Aの大きさは、1.0×10−7erg/cmとした。第1磁性層10と第2磁性層20との間の交換エネルギーは−A(=−1.0×10−7erg/cm)とした。垂直磁化の磁気異方性エネルギーKuの大きさは、1.0×106erg/cm3とした。 The exchange energy between the nearest cells is calculated using the exchange stiffness constant A. The size of the exchange stiffness constant A, was 1.0 × 10- 7 erg / cm. A first magnetic layer 10 exchange energy between the second magnetic layer 20 is -A (= - 1.0 × 10- 7 erg / cm) it was. The magnitude of the perpendicular magnetic anisotropy energy Ku was 1.0 × 10 6 erg / cm 3 .

前記式(1)において、MSは飽和磁化の大きさであり、αはダンピング定数である。TbFeCoの薄膜についての実験から得られている値として、ダンピング定数αを0.4とし、飽和磁化MSの値を400emu/cm3とした。 In the formula (1), M S is the magnitude of saturation magnetization, and α is a damping constant. As values obtained from experiments on a thin film of TbFeCo, the damping constant α was set to 0.4, and the value of the saturation magnetization M S was set to 400 emu / cm 3 .

図9は、実施例の磁気素子と比較例の磁気素子にそれぞれ形成された磁気構造を、シミュレーションにより電流駆動したときの移動速度を比較したグラフである。グラフの横軸は時間(ns)を示し、縦軸は各磁気構造の変位量(nm)を示す。駆動電流の電流密度Jの大きさは、1.0×1012(A/m2)とした。グラフの実線は、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対11,21についての結果を示し、破線は、比較例1の磁気素子に形成された磁気バブルについての結果を示し、点線は、比較例2の磁気素子に形成された通常の磁壁についての結果を示す。比較例1,2の磁気素子は、実施例の磁気素子と同様に、磁気素子ストライプ形状を有する磁性細線である。 FIG. 9 is a graph comparing the moving speed when the magnetic structures respectively formed in the magnetic element of the example and the magnetic element of the comparative example are current-driven by simulation. The horizontal axis of the graph represents time (ns), and the vertical axis represents the displacement (nm) of each magnetic structure. The magnitude of the drive current density J was set to 1.0 × 10 12 (A / m 2 ). The solid line in the graph shows the results for the pair of spiral magnetic structures 11 and 21 formed in the magnetic element of the example, the broken line shows the result for the magnetic bubbles formed in the magnetic element of Comparative Example 1, and the dotted line indicates The result about the normal domain wall formed in the magnetic element of the comparative example 2 is shown. The magnetic elements of Comparative Examples 1 and 2 are fine magnetic wires having a magnetic element stripe shape, like the magnetic elements of the examples.

比較例1の磁気素子は、TbFeCoの単層の垂直磁化膜を備える。磁気素子には、磁気バブルが形成されている。この磁気バブルは、TbFeCo層の面内の一部の領域にレーザ光を照射することにより、形成できる。比較例1では、シミュレーションのパラメータに、実施例と同じ値を用いた。   The magnetic element of Comparative Example 1 includes a single layer perpendicular magnetization film of TbFeCo. Magnetic bubbles are formed in the magnetic element. This magnetic bubble can be formed by irradiating a partial region in the plane of the TbFeCo layer with laser light. In Comparative Example 1, the same values as in the example were used for the simulation parameters.

比較例2の磁気素子は、TbFeCoの単層の垂直磁化膜を備える。磁気素子には、磁化方向の異なる複数の磁区が形成されている。この複数の磁区は、トンネル磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに近接配置した記録ヘッドを用いて、TbFeCo層に電流磁場を発生させることにより、または、TbFeCo層を横切るように直線上にレーザ光を照射することにより、形成できる。比較例2では、シミュレーションのパラメータに、実施例と同じ値を用いた。   The magnetic element of Comparative Example 2 includes a single-layer perpendicular magnetization film of TbFeCo. In the magnetic element, a plurality of magnetic domains having different magnetization directions are formed. The plurality of magnetic domains are generated by generating a current magnetic field in the TbFeCo layer using a recording head arranged close to a magnetic sensor having a tunnel magnetoresistive effect element, or on a straight line so as to cross the TbFeCo layer. It can be formed by irradiation. In Comparative Example 2, the same values as in the example were used for the simulation parameters.

実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対、比較例1の磁気素子に形成された磁気バブル、および比較例2の磁気素子に形成された通常の磁壁について、平均移動速度(変位量(nm)/4ns)を求めたところ、それぞれ、70m/s、44m/sおよび20m/sであった。   For the pair of spiral magnetic structures formed in the magnetic element of the example, the magnetic bubbles formed in the magnetic element of Comparative Example 1, and the normal domain wall formed in the magnetic element of Comparative Example 2, the average moving speed (displacement amount ( nm) / 4 ns) were 70 m / s, 44 m / s and 20 m / s, respectively.

平均移動速度の結果から、電流駆動により、渦状磁気構造対11,21は、磁気バブルと通常の磁壁に比べて高速で移動することがわかる。また、実線(渦状磁気構造)は、破線(磁気バブル)および点線(磁壁)と比べて線形性が高い、または、より直線に近い。従って、渦状磁気構造対11,21は、磁気バブルと磁区と比べて、より一定の速度で移動することがわかる。   From the result of the average moving speed, it can be seen that the vortex magnetic structure pairs 11 and 21 move at a higher speed than the magnetic bubbles and normal domain walls by current driving. The solid line (vortex magnetic structure) has higher linearity or is closer to a straight line than the broken line (magnetic bubble) and the dotted line (domain wall). Therefore, it can be seen that the spiral magnetic structure pairs 11 and 21 move at a more constant speed than the magnetic bubbles and the magnetic domains.

図10は、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対11,21をシミュレーションにより電流駆動したときの速度を、駆動電流の電流密度に対してプロットしたグラフである。グラフの横軸は対数表示された電流密度J(A/m2)を示し、縦軸は対数表示された移動速度v(m/s)を示す。グラフに示すように、移動速度は電流密度に対しておおよそ比例している。比例定数は、約70×10-12である。 FIG. 10 is a graph plotting the speed when the current drive of the pair of vortex magnetic structures 11 and 21 formed in the magnetic element of the example is performed with respect to the current density of the drive current. The horizontal axis of the graph indicates the logarithmically displayed current density J (A / m 2 ), and the vertical axis indicates the logarithmically displayed moving speed v (m / s). As shown in the graph, the moving speed is roughly proportional to the current density. The proportionality constant is about 70 × 10 −12 .

磁気バブルと通常の磁壁の駆動電流には、約1010A/m2の閾値電流が存在し、閾値電流より小さい電流では動かないことが知られている。例えば、文献(Li et al., Current-Induced Domain Wall Motion in TbFeCo Wires With Perpendicular Magnetic Anisotropy, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, NO. 6, June 2010)では、単層のTbFeCoに形成された通常の磁壁を電流駆動したときの閾値電流が調べられている(図4を参照)。図4には、膜厚が小さいほど閾値電流が大きいことが示されており、膜厚が50nmのときに4.5×1010A/m2であり、膜厚が30nmのときに5.8×1010A/m2であることが示されている。 It is known that there is a threshold current of about 10 10 A / m 2 in the drive current of the magnetic bubble and the normal domain wall, and it does not move at a current smaller than the threshold current. For example, the literature (Li et al., Current-Induced Domain Wall Motion in TbFeCo Wires With Perpendicular Magnetic Anisotropy, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, NO. 6, June 2010) The threshold current when the domain wall is driven by current is examined (see FIG. 4). FIG. 4 shows that the smaller the film thickness, the larger the threshold current, 4.5 × 10 10 A / m 2 when the film thickness is 50 nm, and 5.5 when the film thickness is 30 nm. It is shown to be 8 × 10 10 A / m 2 .

これに対して、図10からわかるように、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対では、対応する閾値電流が106A/m2よりも小さい。このように、渦状磁気構造対は、小さい電流密度でも駆動可能である。 On the other hand, as can be seen from FIG. 10, in the spiral magnetic structure pair formed in the magnetic element of the example, the corresponding threshold current is smaller than 10 6 A / m 2 . In this way, the spiral magnetic structure pair can be driven even with a small current density.

図11は、比較例1の磁気素子の上に形成された磁気バブルをシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。図11は、磁気バブルを上から見た図であり、磁気バブルは黒色で示されている。(a)に示すように当初ほぼ円形であった磁気バブルは、(b),(c)に示すように、時間の経過と共に、電流の流れる方向に伸びるように変形する。電流密度が大きいほど、変形量は大きくなる。このように、磁気バブルの形状は、電流駆動に対して安定しない。   FIG. 11 is a diagram illustrating the behavior when a magnetic bubble formed on the magnetic element of Comparative Example 1 is current-driven by simulation. FIG. 11 is a view of the magnetic bubble as viewed from above, and the magnetic bubble is shown in black. As shown in (a), the magnetic bubble that was initially substantially circular is deformed so as to extend in the direction of current flow as time passes, as shown in (b) and (c). The greater the current density, the greater the deformation. Thus, the shape of the magnetic bubble is not stable with respect to current drive.

磁気バブルの形状が電流駆動に対して安定しないことは、実験でも確認されている。図12は、比較例2と同じTbFeCo層の上に形成された磁気バブルを極カー効果顕微鏡により撮影した写真であり、図13は、その磁気バブルを電流駆動したときの挙動を極カー効果顕微鏡により撮影した写真である。図13に示すように、(a)に示すように当初はほぼ円形であった磁気バブルは、(b),(c),(d)に示すように、時間の経過と共に、電流の流れる方向に伸びるように変形している。   Experiments have confirmed that the shape of the magnetic bubbles is not stable with respect to current drive. FIG. 12 is a photograph of a magnetic bubble formed on the same TbFeCo layer as in Comparative Example 2 taken with a polar Kerr effect microscope, and FIG. 13 shows the behavior of the magnetic bubble when it is driven by current with the polar Kerr effect microscope. It is a photograph taken by As shown in FIG. 13, the magnetic bubble that was initially circular as shown in FIG. 13A is a current flow direction as time passes, as shown in FIGS. 13B and 13C. It is deformed to stretch.

図14は、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対をシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。図14は、渦状磁気構造対を上から見た図であり、渦状磁気構造対は黒色で示されている。(a)に示すように当初ほぼ円形であった渦状磁気構造対は、(b),(c),(d),(e)に示すように、時間の経過と共に、ほぼ同じ形状を維持している。このように、渦状磁気構造の形状は、電流駆動に対して安定している。   FIG. 14 is a diagram illustrating a behavior when a vortex magnetic structure pair formed in the magnetic element of the example is current-driven by simulation. FIG. 14 is a top view of the vortex magnetic structure pair, and the vortex magnetic structure pair is shown in black. As shown in (b), (c), (d), and (e), the spiral magnetic structure pair that was initially substantially circular as shown in (a) maintains almost the same shape as time passes. ing. Thus, the shape of the spiral magnetic structure is stable with respect to current drive.

ここで、磁気素子に形成される磁気構造の安定性、および、電流駆動による移動速度は、シミュレーションで用いた各パラメータの値に応じて変化する。当業者であれば、磁気素子に備えられる1つまたは複数の磁性層を構成する材料、1つまたは複数の磁性層の厚さなどを調節することにより、所望の安定性と移動速度を達成できる。例えば、磁性層を構成する合金の組成を変更することにより、飽和磁化Ms、交換スティフネス定数Aおよび垂直磁化の磁気異方性エネルギーKuを変更することができる(例えば、IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 41, NO. 10, OCTOBER 2005の表1には、TbFeCoに含まれるTbの割合と、飽和磁化Ms、交換スティフネス定数Aおよび垂直磁化の磁気異方性エネルギーKuとの関係が記載されている)。   Here, the stability of the magnetic structure formed in the magnetic element and the moving speed by current drive vary according to the values of the parameters used in the simulation. A person skilled in the art can achieve a desired stability and moving speed by adjusting the material constituting one or more magnetic layers provided in the magnetic element, the thickness of the one or more magnetic layers, and the like. . For example, the saturation magnetization Ms, the exchange stiffness constant A, and the magnetic anisotropy energy Ku of perpendicular magnetization can be changed by changing the composition of the alloy constituting the magnetic layer (for example, IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 41, NO. 10, OCTOBER 2005, Table 1 describes the relationship between the ratio of Tb contained in TbFeCo and the saturation magnetization Ms, exchange stiffness constant A, and magnetic anisotropy energy Ku of perpendicular magnetization) .

前記シミュレーションにより、従来の磁気構造(磁気バブルなど)と比べたときの渦状磁気構造対11,21の利点として、電流駆動により安定して高速で移動し、かつ、電流駆動による移動の閾値も小さいことが確認された。従って、このような利点を有する渦状磁気構造対11,21が形成された、本実施形態1に係る磁気素子1は、第2実施形態で説明する磁気メモリ装置だけでなく、例えば演算素子、乱数発生装置においても好適に利用される可能性がある。   As a result of the simulation, the advantages of the vortex magnetic structure pairs 11 and 21 over the conventional magnetic structure (such as magnetic bubbles) are stable and high-speed movement by current driving, and the threshold of movement by current driving is also small. It was confirmed. Accordingly, the magnetic element 1 according to the first embodiment, in which the spiral magnetic structure pairs 11 and 21 having such advantages are formed, is not limited to the magnetic memory device described in the second embodiment. There is a possibility that the generator is also suitably used.

[実施形態2]
図15は、本発明の実施形態2に係る磁気メモリ装置200を示す斜視図である。
磁気メモリ装置200は、データ転送線220とデータ書込線230とを有する磁気素子(または磁気メモリ素子)210を備える。図15は、既にデータが書き込まれた状態の磁気素子210を示している。磁気素子210は、実施形態1で説明した積層体40に相当し、すなわち、前記渦状磁気構造対が形成されていない磁気素子1に相当する。図16などに示すように、磁気素子210のデータ転送線220は、第1磁性層225、第2磁性層226、および、第1磁性層225と第2磁性層226との間に設けられた非磁性層227を備える。これらの層225,226,227に対応して、磁気素子210のデータ書込線230は、それぞれ、第1磁性層234、第2磁性層235、および、第1磁性層234と第2磁性層235との間に設けられた非磁性層236を備える。磁気素子210は、積層体40における各層の蒸着とフォトリソグラフィとにより形成される。
[Embodiment 2]
FIG. 15 is a perspective view showing a magnetic memory device 200 according to Embodiment 2 of the present invention.
The magnetic memory device 200 includes a magnetic element (or magnetic memory element) 210 having a data transfer line 220 and a data write line 230. FIG. 15 shows the magnetic element 210 in which data has already been written. The magnetic element 210 corresponds to the laminated body 40 described in the first embodiment, that is, the magnetic element 1 in which the spiral magnetic structure pair is not formed. As shown in FIG. 16 and the like, the data transfer line 220 of the magnetic element 210 is provided between the first magnetic layer 225, the second magnetic layer 226, and between the first magnetic layer 225 and the second magnetic layer 226. A nonmagnetic layer 227 is provided. Corresponding to these layers 225, 226, and 227, the data write line 230 of the magnetic element 210 includes a first magnetic layer 234, a second magnetic layer 235, and a first magnetic layer 234 and a second magnetic layer, respectively. 235 and a nonmagnetic layer 236 provided therebetween. The magnetic element 210 is formed by vapor deposition of each layer in the stacked body 40 and photolithography.

データ転送線220は、ストライプ形状を有する磁性細線であり、図15ではX方向に延びている。図15に示すX方向は、データ転送線220の長手方向である。符号241は、データ転送線220に形成された渦状磁気構造対を示す。データ転送線220は、複数のデータ領域221,222に区画されている。磁気素子210に図15に示すようなデータが書き込まれた状態では、データ領域221には、渦状磁気構造対241が形成され、データ領域222には、渦状磁気構造対241が形成されていない。データ領域221,222は、一定の間隔で設けられている。後述するように、1つのデータ領域は、1ビットのデータに相当する。データ転送線220で、後述する磁気抵抗センサ270の先(図15で磁気抵抗センサ270より右側)には、データ通過領域223が設けられている。   The data transfer line 220 is a magnetic thin line having a stripe shape, and extends in the X direction in FIG. The X direction shown in FIG. 15 is the longitudinal direction of the data transfer line 220. Reference numeral 241 denotes a spiral magnetic structure pair formed on the data transfer line 220. The data transfer line 220 is divided into a plurality of data areas 221 and 222. In the state where data as shown in FIG. 15 is written in the magnetic element 210, the vortex magnetic structure pair 241 is formed in the data area 221, and the vortex magnetic structure pair 241 is not formed in the data area 222. The data areas 221 and 222 are provided at regular intervals. As will be described later, one data area corresponds to 1-bit data. In the data transfer line 220, a data passage region 223 is provided at the tip of the magnetoresistive sensor 270 described later (on the right side of the magnetoresistive sensor 270 in FIG. 15).

データ転送線220は、第1磁性層225、第2磁性層226および非磁性層227の端面全体が、リード線を介してデータ転送電源224に接続されている。ただし、本実施形態1では、第1磁性層225、第2磁性層226および非磁性層227はすべて金属でできているので、第1磁性層225、第2磁性層226および非磁性層227のうち少なくとも1つがデータ転送電源224に接続されていれば、データ転送線220の全層を通電させることができる。データ転送電源224は、データ転送線220の両端部間に電圧を印加し、渦状磁気構造対241を電流駆動し、データ転送線220の上を移動させるデータ転送用駆動部として機能する。データ転送電源224は、磁気素子210を流れる電流の向きを反転させることができるように構成されている。   In the data transfer line 220, the entire end surfaces of the first magnetic layer 225, the second magnetic layer 226, and the nonmagnetic layer 227 are connected to the data transfer power supply 224 through lead wires. However, in the first embodiment, since the first magnetic layer 225, the second magnetic layer 226, and the nonmagnetic layer 227 are all made of metal, the first magnetic layer 225, the second magnetic layer 226, and the nonmagnetic layer 227 If at least one of them is connected to the data transfer power supply 224, all layers of the data transfer line 220 can be energized. The data transfer power supply 224 functions as a data transfer drive unit that applies a voltage between both ends of the data transfer line 220, drives the vortex magnetic structure pair 241 with current, and moves on the data transfer line 220. The data transfer power supply 224 is configured to reverse the direction of the current flowing through the magnetic element 210.

データ書込線230は、データ転送線220に対して交差して(または直交して)設けられており、図15ではY方向に延びている。図15に示すY方向は、データ書込線230の長手方向である。図16に示すように、データ書込線230の第1磁性層234、第2磁性層235および非磁性層236は、データ転送線220の第1磁性層225、第2磁性層226および非磁性層227とそれぞれ交わっている。符号242は、データ書込線230に形成された渦状磁気構造対を示す。データ書込線230は、第1磁性層234、第2磁性層235および非磁性層236の端面全体が、リード線を介してデータ書込電源233に接続されている。データ書込電源233は、データ書込線230の両端部間に電圧を印加し、渦状磁気構造対242を電流駆動し、データ書込線230の上を移動させるデータ書込用駆動部として機能する。   The data write line 230 is provided so as to intersect (or orthogonally intersect) the data transfer line 220, and extends in the Y direction in FIG. The Y direction shown in FIG. 15 is the longitudinal direction of data write line 230. As shown in FIG. 16, the first magnetic layer 234, the second magnetic layer 235, and the nonmagnetic layer 236 of the data write line 230 are the same as the first magnetic layer 225, the second magnetic layer 226, and the nonmagnetic layer of the data transfer line 220. Crosses with layer 227 respectively. Reference numeral 242 denotes a spiral magnetic structure pair formed on the data write line 230. In the data write line 230, the entire end surfaces of the first magnetic layer 234, the second magnetic layer 235, and the nonmagnetic layer 236 are connected to the data write power supply 233 via lead wires. The data write power supply 233 functions as a data write drive unit that applies a voltage between both ends of the data write line 230, drives the vortex magnetic structure pair 242 with current, and moves on the data write line 230. To do.

前述の通り、渦状磁気構造対242は、磁気バブルなどを駆動できない約1010A/m2以下の低い電流密度で駆動可能である。データ転送電源224とデータ書込電源233は、例えば、約106A/m2以上約1010A/m2以下の電流密度で電流を流す。これにより、渦状磁気構造対242を小さい電流密度で電流駆動しつつ、その移動速度を確保できる。 As described above, the spiral magnetic structure pair 242 can be driven at a low current density of about 10 10 A / m 2 or less, which cannot drive a magnetic bubble or the like. For example, the data transfer power source 224 and the data write power source 233 pass a current at a current density of about 10 6 A / m 2 or more and about 10 10 A / m 2 or less. Thereby, the moving speed can be ensured while the vortex magnetic structure pair 242 is driven with a small current density.

データ書込線230の一端側には、渦状磁気構造対242が生成されるデータ生成領域231が位置し、データ書込線230の他端側には、渦状磁気構造対242が消去されるデータ消去領域232が位置する。   A data generation region 231 where the vortex magnetic structure pair 242 is generated is located at one end side of the data write line 230, and data from which the vortex magnetic structure pair 242 is erased is located at the other end side of the data write line 230. An erase area 232 is located.

磁気メモリ装置200は、データ書込線230のデータ生成領域231に設けられたレーザ光源250および磁場発生部260をさらに備える。レーザ光源250は、図5を用いて説明したレーザ照射ステップ102で用いられ、積層体40に含まれる第1磁性層10の面内の領域15にレーザ光を照射して局所的に加熱する。磁場発生部260は、図6を用いて説明した磁場印加ステップ103で用いられ、積層体40に外部磁場を印加する。このように、レーザ光源250および磁場発生部260は、データ転送線220にデータを書き込むための書込部として機能する。   The magnetic memory device 200 further includes a laser light source 250 and a magnetic field generator 260 provided in the data generation region 231 of the data write line 230. The laser light source 250 is used in the laser irradiation step 102 described with reference to FIG. 5, and locally heats the region 15 in the plane of the first magnetic layer 10 included in the stacked body 40 by irradiation with laser light. The magnetic field generator 260 is used in the magnetic field application step 103 described with reference to FIG. 6 and applies an external magnetic field to the stacked body 40. As described above, the laser light source 250 and the magnetic field generation unit 260 function as a writing unit for writing data to the data transfer line 220.

磁気メモリ装置200は、データ転送線220とデータ書込線230との交差点となるデータ領域に設けられた磁気抵抗センサ270をさらに備える。磁気抵抗センサ270は、TMR(トンネル磁気抵抗効果)素子271を用いた磁気センサである。TMR素子271は、図16に示すように、強磁性体でできているピン層(固定層)272およびフリー層273と、ピン層272とフリー層273との間に設けられた、非磁性絶縁体薄膜であるトンネル絶縁膜274とを有する。フリー層273は、データ転送線220の第1磁性層225とデータ書込線230の第1磁性層234との交差領域により構成される。従って、フリー層273は、第1磁性層225,234と同じ材料でできている。ピン層272は、フリー層273と同じ材料でできていてもよい。トンネル絶縁膜274は、Al23(酸化アルミニウム)、MgO(酸化マグネシウム)など公知の材料でできていてよい。 The magnetic memory device 200 further includes a magnetoresistive sensor 270 provided in a data region that is an intersection of the data transfer line 220 and the data write line 230. The magnetoresistive sensor 270 is a magnetic sensor using a TMR (tunnel magnetoresistive effect) element 271. As shown in FIG. 16, the TMR element 271 includes a pinned layer (fixed layer) 272 and a free layer 273 made of a ferromagnetic material, and a nonmagnetic insulating layer provided between the pinned layer 272 and the free layer 273. And a tunnel insulating film 274 which is a body thin film. The free layer 273 is configured by an intersection region between the first magnetic layer 225 of the data transfer line 220 and the first magnetic layer 234 of the data write line 230. Therefore, the free layer 273 is made of the same material as the first magnetic layers 225 and 234. The pinned layer 272 may be made of the same material as the free layer 273. The tunnel insulating film 274 may be made of a known material such as Al 2 O 3 (aluminum oxide) or MgO (magnesium oxide).

TMR素子271のピン層272とフリー層273には、図示しない電極が設けられている。TMR素子271は、この電極を介して、公知の読み出し回路に接続されている。磁気抵抗センサ270では、データ転送線220の上を渦状磁気構造対241が移動することによる磁化の変動が、TMR素子271の電気抵抗の変化として読み出される。具体的には、データ転送線220の上に渦状磁気構造対241が存在する場合には「1」(図17)、存在しない場合(図16)には「0」のように1ビットのデータとして読み出しが行われる。このように、磁気抵抗センサ270は、データ転送線220に書き込まれたデータを読み出すための読出部として機能する。   The pin layer 272 and the free layer 273 of the TMR element 271 are provided with electrodes (not shown). The TMR element 271 is connected to a known readout circuit through this electrode. In the magnetoresistive sensor 270, the change in magnetization due to the movement of the spiral magnetic structure pair 241 over the data transfer line 220 is read as a change in the electrical resistance of the TMR element 271. Specifically, 1-bit data such as “1” (FIG. 17) when the spiral magnetic structure pair 241 exists on the data transfer line 220 and “0” when it does not exist (FIG. 16). Is read out. As described above, the magnetoresistive sensor 270 functions as a reading unit for reading data written in the data transfer line 220.

本実施形態2では、磁気抵抗センサ270は、AMR(異方性磁気抵抗効果)素子を用いた磁気センサなど、他の磁気抵抗センサであってもよい。   In the second embodiment, the magnetoresistive sensor 270 may be another magnetoresistive sensor such as a magnetic sensor using an AMR (anisotropic magnetoresistive effect) element.

本実施形態2では、磁気抵抗センサ270のTMR素子271は、図18に示すように、そのすべての層272,273,274が、データ転送線220とデータ書込線230との交差領域の上に設けられてもよい。ただし、図16、図17に示す、データ転送線220の第1磁性層225およびデータ書込線230の第1磁性層234が磁気抵抗センサ270のフリー層273を兼ねている構造では、図18に示す構造に比べて製造効率が向上する。また、TMR素子271は、データ転送線220とデータ書込線230との交差領域に設けられる必要はなく、データ転送線220の上であればどの位置に設けられてもよい。   In the second embodiment, as shown in FIG. 18, the TMR element 271 of the magnetoresistive sensor 270 has all the layers 272, 273, 274 above the intersection region of the data transfer line 220 and the data write line 230. May be provided. However, in the structure shown in FIGS. 16 and 17, the first magnetic layer 225 of the data transfer line 220 and the first magnetic layer 234 of the data write line 230 also serve as the free layer 273 of the magnetoresistive sensor 270. The manufacturing efficiency is improved as compared with the structure shown in FIG. Further, the TMR element 271 does not need to be provided in the intersection region between the data transfer line 220 and the data write line 230, and may be provided at any position on the data transfer line 220.

本実施形態2では、TMR素子271を有する磁気抵抗センサ270の代わりに、例えば、ホール素子(ホールバーなど)を有するホールセンサが読出部として用いられてもよい。ただし、磁気抵抗センサ270を用いた場合、ホールセンサと比べて感度が高く、また応答速度も大きいので有利である。   In the second embodiment, instead of the magnetoresistive sensor 270 having the TMR element 271, for example, a hall sensor having a hall element (hole bar or the like) may be used as the reading unit. However, the use of the magnetoresistive sensor 270 is advantageous because it has higher sensitivity and higher response speed than the Hall sensor.

次に、図15および図19、図20を用いて、磁気メモリ装置200の動作を説明する。   Next, the operation of the magnetic memory device 200 will be described with reference to FIGS. 15, 19, and 20.

データ転送線220にデータを書き込む場合、図5から図8を用いて説明した方法により、データ書込線230のデータ生成領域231に渦状磁気構造対242が発生する(図15を参照)。発生した渦状磁気構造対242は、データ書込電源233を駆動することにより、図19に示すように、データ書込線230の上をデータ転送線220に到達するまで長手方向(−Y方向に)移動する。これにより、データ転送線へ220のデータの書き込みが完了する。電流を加えない状態でも渦状磁気構造対242が安定していることから、書き込まれたデータは、電流駆動を停止しても消去されることがない(すなわち不揮発性である)。   When data is written to the data transfer line 220, a vortex magnetic structure pair 242 is generated in the data generation region 231 of the data write line 230 by the method described with reference to FIGS. 5 to 8 (see FIG. 15). The generated pair of vortex magnetic structures 242 is driven in the longitudinal direction (in the −Y direction) by driving the data write power source 233 until it reaches the data transfer line 220 over the data write line 230 as shown in FIG. )Moving. Thereby, the writing of the data 220 to the data transfer line is completed. Since the vortex magnetic structure pair 242 is stable even when no current is applied, the written data is not erased even if the current drive is stopped (that is, it is nonvolatile).

データ転送線220に書き込まれたデータを読み出す場合、データ転送電源224が駆動される。これにより、渦状磁気構造対241,242をデータ転送線220の上で長手方向(+X方向)に移動させる向きに磁場が発生する。データ転送線220の上を移動する渦状磁気構造対241,242は、磁気抵抗センサ270のTMR素子271の電気抵抗の変化として検出される。磁気抵抗センサ270の先まで移動した渦状磁気構造対241,242は、データ通過領域223に入る。データ通過領域223に入った渦状磁気構造対241,242を読み出す場合は、データ転送電源224による電流の方向を逆にすることにより、図20に示す矢印とは逆方向(図15では−X方向)に渦状磁気構造対241,242が移動し、磁気抵抗センサ270により検出される。   When data written to the data transfer line 220 is read, the data transfer power supply 224 is driven. As a result, a magnetic field is generated in a direction in which the spiral magnetic structure pairs 241 and 242 are moved in the longitudinal direction (+ X direction) on the data transfer line 220. The pair of spiral magnetic structures 241 and 242 moving on the data transfer line 220 is detected as a change in electrical resistance of the TMR element 271 of the magnetoresistive sensor 270. The pair of spiral magnetic structures 241 and 242 moved to the tip of the magnetoresistive sensor 270 enters the data passage area 223. When reading the spiral magnetic structure pairs 241 and 242 that have entered the data passage area 223, the direction of the current by the data transfer power supply 224 is reversed to reverse the direction of the arrow shown in FIG. 20 (in the −X direction in FIG. 15). ) Move the pair of spiral magnetic structures 241 and 242 and are detected by the magnetoresistive sensor 270.

データ転送線220に書き込まれたデータを消去する場合、データ転送電源224を駆動することにより、渦状磁気構造対241,242がデータ転送線220の上を移動し、データ書込線230との交差点に到達する。この状態で、データ転送電源224の作動が停止され、渦状磁気構造対242が、データ書込電源233の駆動により、データ書込線230の上を長手方向(−Y方向)に移動し、データ消去領域232に到達してリード線に衝突し、消去される。   When erasing data written in the data transfer line 220, by driving the data transfer power supply 224, the spiral magnetic structure pairs 241 and 242 move on the data transfer line 220 and intersect with the data write line 230. To reach. In this state, the operation of the data transfer power supply 224 is stopped, and the spiral magnetic structure pair 242 is moved on the data write line 230 in the longitudinal direction (−Y direction) by the drive of the data write power supply 233. The data reaches the erase area 232, collides with the lead wire, and is erased.

本実施形態2によれば、従来の磁気構造(磁気バブルなど)と比べて、電流駆動により安定して高速で移動し、かつ、電流駆動による移動の閾値も小さい渦状磁気構造対241,242が磁気素子210に形成されていることにより、従来技術よりも小さい消費電力で安定して動作する不揮発性のメモリ装置を得ることができる。また、データ転送電源224とデータ書込電源233が、例えば、約106A/m2以上約1010A/m2以下の電流密度で電流を流して渦状磁気構造対241,242を電流駆動することにより、消費電力を小さくする効果を高めることができる。 According to the second embodiment, the spiral magnetic structure pairs 241 and 242 move stably and at high speed by current driving and have a small threshold of movement by current driving as compared with conventional magnetic structures (such as magnetic bubbles). By being formed in the magnetic element 210, it is possible to obtain a non-volatile memory device that operates stably with lower power consumption than the prior art. Further, the data transfer power supply 224 and the data write power supply 233, for example, drive the current at a current density of about 10 6 A / m 2 or more and about 10 10 A / m 2 or less to drive the pair of spiral magnetic structures 241 and 242 with current. By doing so, the effect of reducing power consumption can be enhanced.

[実施形態3]
図21は、本発明の実施形態3に係る磁気メモリ装置300を示す図である。
磁気メモリ装置300は、データ転送線320とデータ書込線330とを有する磁気素子(または磁気メモリ素子)310を備える。図21は、既にデータが書き込まれた状態の磁気素子310で示している。磁気素子310は、実施形態1で説明した積層体40に相当し、すなわち、前記渦状磁気構造対が形成されていない磁気素子1に相当する。図22などに示すように、磁気素子310のデータ転送線320は、第1磁性層325、第2磁性層326、および、第1磁性層325と第2磁性層326との間に設けられた非磁性層327を備える。磁気素子310は、積層体40における各層の蒸着とフォトリソグラフィとにより形成される。
[Embodiment 3]
FIG. 21 is a diagram showing a magnetic memory device 300 according to the third embodiment of the present invention.
The magnetic memory device 300 includes a magnetic element (or magnetic memory element) 310 having a data transfer line 320 and a data write line 330. FIG. 21 shows the magnetic element 310 in which data has already been written. The magnetic element 310 corresponds to the stacked body 40 described in the first embodiment, that is, the magnetic element 1 in which the spiral magnetic structure pair is not formed. As shown in FIG. 22 and the like, the data transfer line 320 of the magnetic element 310 is provided between the first magnetic layer 325, the second magnetic layer 326, and between the first magnetic layer 325 and the second magnetic layer 326. A nonmagnetic layer 327 is provided. The magnetic element 310 is formed by vapor deposition of each layer in the stacked body 40 and photolithography.

データ転送線320は、平面視(図21)でループ形状を有する磁性細線である。ただし、データ転送線320は、後述するデータ転送用駆動部380の位置では閉じられておらず、すなわち開ループ形状を有する。符号341は、データ転送線320に形成された渦状磁気構造対を示す。データ転送線320は、複数のデータ領域321,322に区画されている。磁気素子310に図21に示すようなデータが書き込まれた状態では、データ領域321には、渦状磁気構造対341が形成され、データ領域322には、渦状磁気構造対341が形成されていない。データ領域321,322は、一定の間隔で設けられている。1つのデータ領域は、1ビットのデータに相当する。データ転送線320は、(図21ではX方向に延びる)直線領域323と、円弧領域324とを有する。図21に示すX方向は、直線領域323の長手方向である。円弧領域324で、データ領域は、内周側から外周側に向かって拡大する形状を有する。   The data transfer line 320 is a magnetic wire having a loop shape in plan view (FIG. 21). However, the data transfer line 320 is not closed at a position of a data transfer drive unit 380 described later, that is, has an open loop shape. Reference numeral 341 indicates a pair of spiral magnetic structures formed on the data transfer line 320. The data transfer line 320 is divided into a plurality of data areas 321 and 322. In a state where data as shown in FIG. 21 is written in the magnetic element 310, the vortex magnetic structure pair 341 is formed in the data area 321, and the vortex magnetic structure pair 341 is not formed in the data area 322. The data areas 321 and 322 are provided at regular intervals. One data area corresponds to 1-bit data. The data transfer line 320 has a linear region 323 (extending in the X direction in FIG. 21) and an arc region 324. The X direction shown in FIG. 21 is the longitudinal direction of the linear region 323. In the arc region 324, the data region has a shape that expands from the inner peripheral side toward the outer peripheral side.

データ書込線330は、データ転送線320の直線領域323に、データ転送線320に対して交差して設けられており、図21ではY方向に延びている。図21に示すY方向は、データ書込線330の長手方向である。符号342は、データ書込線330に形成された渦状磁気構造対を示す。データ書込線330は、リード線を介してデータ書込電源333に接続されている。データ書込電源333は、データ書込線330の両端部間に電圧を印加し、渦状磁気構造対342を電流駆動し、データ書込線330の上を移動させるデータ書込用駆動部として機能する。   The data write line 330 is provided in the straight line region 323 of the data transfer line 320 so as to intersect the data transfer line 320, and extends in the Y direction in FIG. The Y direction shown in FIG. 21 is the longitudinal direction of data write line 330. Reference numeral 342 indicates a pair of spiral magnetic structures formed on the data write line 330. Data write line 330 is connected to data write power supply 333 via a lead wire. The data write power supply 333 functions as a data write drive unit that applies a voltage between both ends of the data write line 330 to drive the current of the spiral magnetic structure pair 342 and to move on the data write line 330. To do.

データ書込線330の一端側には、渦状磁気構造対342が生成されるデータ生成領域331が位置し、データ書込線330の他端側には、渦状磁気構造対342が消去されるデータ消去領域332が位置する。   A data generation region 331 in which a vortex magnetic structure pair 342 is generated is located on one end side of the data write line 330, and data on which the vortex magnetic structure pair 342 is erased on the other end side of the data write line 330. An erase area 332 is located.

磁気メモリ装置300は、実施形態2で説明したレーザ光源250および磁場発生部260をさらに備える。レーザ光源250および磁場発生部260の構成と動作については、実施形態2と同様であり、説明を省略する。磁気メモリ装置300は、データ転送線320の直線領域323に設けられた磁気抵抗センサ370をさらに備える。磁気抵抗センサ370は、実施形態2で説明した磁気抵抗センサ270と同じ構成を有するため、その構成と動作については説明を省略する。   The magnetic memory device 300 further includes the laser light source 250 and the magnetic field generator 260 described in the second embodiment. The configurations and operations of the laser light source 250 and the magnetic field generator 260 are the same as those in the second embodiment, and a description thereof will be omitted. The magnetic memory device 300 further includes a magnetoresistive sensor 370 provided in the linear region 323 of the data transfer line 320. Since the magnetoresistive sensor 370 has the same configuration as the magnetoresistive sensor 270 described in the second embodiment, the description of the configuration and operation thereof is omitted.

磁気メモリ装置300は、データ転送線320の直線領域323に設けられたデータ転送用駆動部380をさらに備える。データ転送用駆動部380は、絶縁積層体381、一対の電極382,383およびデータ転送電源384を有する。   The magnetic memory device 300 further includes a data transfer drive unit 380 provided in the linear region 323 of the data transfer line 320. The data transfer drive unit 380 includes an insulating stacked body 381, a pair of electrodes 382 and 383, and a data transfer power supply 384.

図22に示すように、開ループ形状を有するデータ転送線320の一端(第1端)328と他端(第2端)329は、長手方向(X方向)に距離を隔てて設けられている。絶縁積層体381は、データ転送線320の第1端328と第2端329との間を接続するように設けられている。絶縁積層体381は、絶縁層385,386,387を有する。絶縁層385,386は、MnZnフェライト((Mn,Zn)Fe24)などの強磁性絶縁体でできており、絶縁層387は、SiO2(二酸化ケイ素)などの非磁性絶縁体または常磁性絶縁体でできている。ただし、絶縁層387が充分に薄ければ、絶縁層387が絶縁層385,386と同じ強磁性絶縁体でできていてもよい。 As shown in FIG. 22, one end (first end) 328 and the other end (second end) 329 of the data transfer line 320 having an open loop shape are provided at a distance in the longitudinal direction (X direction). . The insulating stacked body 381 is provided so as to connect the first end 328 and the second end 329 of the data transfer line 320. The insulating stacked body 381 includes insulating layers 385, 386, and 387. The insulating layers 385 and 386 are made of a ferromagnetic insulator such as MnZn ferrite ((Mn, Zn) Fe 2 O 4 ), and the insulating layer 387 is a nonmagnetic insulator such as SiO 2 (silicon dioxide) or normal. Made of magnetic insulator. However, as long as the insulating layer 387 is sufficiently thin, the insulating layer 387 may be made of the same ferromagnetic insulator as the insulating layers 385 and 386.

一対の電極382,383は、データ転送線320の第1磁性層325と第2磁性層326とを挟んで絶縁積層体381の長手方向(X方向)の両端部に隣接して設けられている。一対の電極382,383は、データ転送線320の直線領域323の長手方向(X方向)に対して交差する幅方向(+Y方向)に延びている。図示していないが、データ転送線320の第1磁性層325、第2磁性層326および非磁性層327はすべて、磁気素子310のループの内側端面(+Y方向側端面)で、一対の電極382,383にそれぞれ接している。データ転送電源384は、一対の電極382,383に電気的に接続されており、一対の電極382,383の間に電圧を印加する。   The pair of electrodes 382 and 383 are provided adjacent to both ends in the longitudinal direction (X direction) of the insulating stacked body 381 with the first magnetic layer 325 and the second magnetic layer 326 of the data transfer line 320 interposed therebetween. . The pair of electrodes 382 and 383 extend in the width direction (+ Y direction) intersecting the longitudinal direction (X direction) of the linear region 323 of the data transfer line 320. Although not shown, the first magnetic layer 325, the second magnetic layer 326, and the nonmagnetic layer 327 of the data transfer line 320 are all on the inner end face (+ Y direction side end face) of the loop of the magnetic element 310 and a pair of electrodes 382. , 383, respectively. The data transfer power supply 384 is electrically connected to the pair of electrodes 382 and 383, and applies a voltage between the pair of electrodes 382 and 383.

データ転送線320へのデータの書込みとデータ転送線320に書き込まれたデータの消去は、実施形態2で説明したデータ転送線220へのデータの書込みとデータ転送線220に書き込まれたデータの消去と同様に行われるため、説明を省略する。   Writing data to the data transfer line 320 and erasing data written to the data transfer line 320 are performed by writing data to the data transfer line 220 and erasing data written to the data transfer line 220 described in the second embodiment. Since it is performed in the same manner as in FIG.

データ転送線320に書き込まれたデータを読み取る場合、データ転送電源384が駆動される。このとき、データ転送用駆動部380では、図22に示すように、データ転送線320から電極382へ電流が流れ(矢印1001,1002)、電極383からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1003,1004)。このように、絶縁積層体381の周りを回るように電流が流れることにより、渦状磁気構造対341をデータ転送線320の上で移動させる向きに磁場が発生する。データ転送線320の上で移動する渦状磁気構造対341は、磁気抵抗センサ270により電圧変化として検出される。   When data written to the data transfer line 320 is read, the data transfer power supply 384 is driven. At this time, in the data transfer drive unit 380, as shown in FIG. 22, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 382 (arrows 1001 and 1002), and a current flows from the electrode 383 to the data transfer line 320 (arrow 1003). , 1004). Thus, when a current flows around the insulating laminated body 381, a magnetic field is generated in a direction in which the vortex magnetic structure pair 341 is moved on the data transfer line 320. The spiral magnetic structure pair 341 moving on the data transfer line 320 is detected as a voltage change by the magnetoresistive sensor 270.

実施形態2では、データ転送線220を直線形状とすることにより、読出部(磁気抵抗センサ270)を通過した渦状磁気構造対241,242がデータ転送線220の端部でリード線に衝突して消えないように、データ通過領域223が設けられる。データ通過領域223は、データ転送線220に記憶させるデータ量に応じて長くなる。一方、本実施形態3では、データ転送線320をループ形状とすることにより、データ通過領域223に相当する領域を設ける必要がない。従って、本実施形態3に係る磁気メモリ装置300は、実施形態2に係る磁気メモリ装置200に比べて小型化できるという効果がある。   In the second embodiment, by making the data transfer line 220 linear, the pair of spiral magnetic structures 241 and 242 that have passed through the reading unit (the magnetoresistive sensor 270) collide with the lead wire at the end of the data transfer line 220. A data passage area 223 is provided so as not to disappear. The data passage area 223 becomes longer according to the amount of data stored in the data transfer line 220. On the other hand, in the third embodiment, it is not necessary to provide an area corresponding to the data passing area 223 by forming the data transfer line 320 in a loop shape. Therefore, the magnetic memory device 300 according to the third embodiment has an effect that it can be reduced in size as compared with the magnetic memory device 200 according to the second embodiment.

次に、図23から図28を参照して、データ転送用駆動部の変形例を説明する。図23から図28に示す変形例では、データ転送用駆動部を構成する絶縁層と一対の電極とにのみ図22と異なる符号を付しており、データ転送線にはいずれも同じ符号320を付している。また、一対の電極に電気的に接続されるデータ転送電源384は図示していない。   Next, a modification of the data transfer drive unit will be described with reference to FIGS. In the modification shown in FIGS. 23 to 28, only the insulating layer and the pair of electrodes constituting the data transfer drive unit are given different reference numerals from FIG. 22, and the same reference numerals 320 are assigned to the data transfer lines. It is attached. A data transfer power supply 384 that is electrically connected to the pair of electrodes is not shown.

図23と図24に示す変形例では、データ転送線320が、データ転送用駆動部の位置で、上下方向(Z方向)にずれて且つ長手方向(X方向)に重なって(オーバラップして)設けられている。データ転送線320の一端と他端とは、絶縁層481により上下方向(Z方向)で接続されている。データ転送線320の一端(第1端)側の端面に電極482が、データ転送線320の他端(第2端)側の端面に電極483が設けられている。   In the modification shown in FIGS. 23 and 24, the data transfer line 320 is displaced in the vertical direction (Z direction) and overlaps in the longitudinal direction (X direction) at the position of the data transfer drive unit. ) Is provided. One end and the other end of the data transfer line 320 are connected in the vertical direction (Z direction) by the insulating layer 481. An electrode 482 is provided on the end face on one end (first end) side of the data transfer line 320, and an electrode 483 is provided on the end face on the other end (second end) side of the data transfer line 320.

図23に示す変形例では、電極482はデータ転送線320の一端から上方向(+Z方向)に延び、電極483はデータ転送線320の他端から長手方向(+X方向)に延びている。データ転送電源384が駆動されると、データ転送線320から電極483へ電流が流れ(矢印1005,1006)、電極482からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1007)。   In the modification shown in FIG. 23, the electrode 482 extends upward (+ Z direction) from one end of the data transfer line 320, and the electrode 483 extends from the other end of the data transfer line 320 in the longitudinal direction (+ X direction). When the data transfer power supply 384 is driven, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 483 (arrows 1005 and 1006), and a current flows from the electrode 482 to the data transfer line 320 (arrow 1007).

図24に示す変形例では、電極482はデータ転送線320の一端から長手方向(−X方向)に延び、電極483はデータ転送線320の他端から幅方向(−Y方向)に延びている。データ転送電源384が駆動されると、データ転送線320から電極483へ電流が流れ(矢印1008,1009)、電極482からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1010)。   In the modification shown in FIG. 24, the electrode 482 extends in the longitudinal direction (−X direction) from one end of the data transfer line 320, and the electrode 483 extends in the width direction (−Y direction) from the other end of the data transfer line 320. . When the data transfer power supply 384 is driven, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 483 (arrows 1008 and 1009), and a current flows from the electrode 482 to the data transfer line 320 (arrow 1010).

図25と図26に示す変形例では、図22に示す例と同様に、データ転送用駆動部の位置で、データ転送線320の一端と他端とが長手方向(X方向)に距離を隔てて設けられている。データ転送線320の一端と他端とは、第2磁性層326の下面でデータ転送線320に沿って長手方向(X方向)に延びる絶縁層581により接続されている。   In the modification shown in FIGS. 25 and 26, as in the example shown in FIG. 22, one end and the other end of the data transfer line 320 are spaced apart in the longitudinal direction (X direction) at the position of the data transfer drive unit. Is provided. One end and the other end of the data transfer line 320 are connected to each other by an insulating layer 581 extending in the longitudinal direction (X direction) along the data transfer line 320 on the lower surface of the second magnetic layer 326.

図25に示す変形例では、データ転送線320の一端(第1端)側の端面に電極582が、データ転送線320の他端(第2端)側の端面に電極583が設けられている。電極582,583は、データ転送線320の一端、他端からそれぞれ上方向(+Z方向)に延びている。データ転送電源384が駆動されると、データ転送線320から電極582へ電流が流れ(矢印1011,1012)、電極583からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1013,1014)。   In the modification shown in FIG. 25, an electrode 582 is provided on the end face on one end (first end) side of the data transfer line 320, and an electrode 583 is provided on the end face on the other end (second end) side of the data transfer line 320. . The electrodes 582 and 583 extend upward (+ Z direction) from one end and the other end of the data transfer line 320, respectively. When the data transfer power supply 384 is driven, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 582 (arrows 1011 and 1012), and a current flows from the electrode 583 to the data transfer line 320 (arrows 1013 and 1014).

図26に示す変形例では、データ転送線320の一端(第1端)側であって第1磁性層325の上に電極582が、データ転送線320の他端(第2端)側であって第1磁性層325の上に電極583が設けられている。電極582,583は、データ転送線320の第1磁性層325の上面からそれぞれ上方向(+Z方向)に延びている。データ転送電源384が駆動されると、データ転送線320から電極582へ電流が流れ(矢印1015,1016)、電極583からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1017,1018)。   In the modification shown in FIG. 26, the electrode 582 is on one end (first end) side of the data transfer line 320 and on the first magnetic layer 325, and is on the other end (second end) side of the data transfer line 320. An electrode 583 is provided on the first magnetic layer 325. The electrodes 582 and 583 respectively extend upward (+ Z direction) from the upper surface of the first magnetic layer 325 of the data transfer line 320. When the data transfer power supply 384 is driven, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 582 (arrows 1015 and 1016), and a current flows from the electrode 583 to the data transfer line 320 (arrows 1017 and 1018).

図27と図28に示す変形例では、図22に示す例と同様に、データ転送用駆動部の位置で、データ転送線320の一端(第1端)328と他端(第2端)329とが長手方向(X方向)に距離を隔てて設けられている。また、データ転送線320では、第2磁性層326は、第1磁性層325と非磁性層327に対して長手方向(X方向)に張り出して設けられている。データ転送線320の第1端328、第2端329は、第1磁性層325および非磁性層327の第1端328a、第2端329aと、第2磁性層326の第1端328b、第2端329bとを有する。第2磁性層326の第1端328b、第2端329bとの間には絶縁層681が設けられ、これによりデータ転送線320の第1端328と第2端329とが接続される。第1磁性層325および非磁性層327の第1端328a側端面と第2端329a側端面であって第2磁性層326の上面には、それぞれ電極682,683が設けられている。   27 and FIG. 28, similarly to the example shown in FIG. 22, one end (first end) 328 and the other end (second end) 329 of the data transfer line 320 at the position of the data transfer drive unit. Are provided at a distance in the longitudinal direction (X direction). In the data transfer line 320, the second magnetic layer 326 is provided so as to protrude in the longitudinal direction (X direction) with respect to the first magnetic layer 325 and the nonmagnetic layer 327. The first end 328 and the second end 329 of the data transfer line 320 are the first end 328 a and the second end 329 a of the first magnetic layer 325 and the nonmagnetic layer 327, the first end 328 b of the second magnetic layer 326, And two ends 329b. An insulating layer 681 is provided between the first end 328 b and the second end 329 b of the second magnetic layer 326, thereby connecting the first end 328 and the second end 329 of the data transfer line 320. Electrodes 682 and 683 are provided on the first magnetic layer 325 and the nonmagnetic layer 327 on the first end 328 a side end surface and the second end 329 a side end surface, respectively, on the upper surface of the second magnetic layer 326.

図27に示す変形例では、電極682は、第2磁性層326の上面から上方向(+Z方向)に延び、電極683は、第2磁性層326の上面から上方向(+Z方向)に延びている。データ転送電源384が駆動されると、データ転送線320から電極682へ電流が流れ(矢印1019,1020)、電極683からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1021)。   In the modification shown in FIG. 27, the electrode 682 extends upward (+ Z direction) from the upper surface of the second magnetic layer 326, and the electrode 683 extends upward (+ Z direction) from the upper surface of the second magnetic layer 326. Yes. When the data transfer power supply 384 is driven, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 682 (arrows 1019 and 1020), and a current flows from the electrode 683 to the data transfer line 320 (arrow 1021).

図28に示す変形例では、電極682は、第2磁性層326の上面から幅方向(+Y方向)に延び、電極683は、第2磁性層326の上面から幅方向(+Y方向)に延びている。データ転送電源384が駆動されると、データ転送線320から電極682へ電流が流れ(矢印1022,1023)、電極683からデータ転送線320へ電流が流れる(矢印1024,1025)。   In the modification shown in FIG. 28, the electrode 682 extends in the width direction (+ Y direction) from the upper surface of the second magnetic layer 326, and the electrode 683 extends in the width direction (+ Y direction) from the upper surface of the second magnetic layer 326. Yes. When the data transfer power supply 384 is driven, a current flows from the data transfer line 320 to the electrode 682 (arrows 1022 and 1023), and a current flows from the electrode 683 to the data transfer line 320 (arrows 1024 and 1025).

図22から図28に示したように、磁気メモリ装置300では、データ転送用駆動部が有する一対の電極を所望の形状、配置とすることができ、製品の設計に自由度が得られる。   As shown in FIGS. 22 to 28, in the magnetic memory device 300, the pair of electrodes included in the data transfer drive unit can have a desired shape and arrangement, and a degree of freedom in product design can be obtained.

以上、実施形態により本発明を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されない。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、前記実施形態には、種々の改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。   As mentioned above, although this invention was demonstrated by embodiment, this invention is not limited to the said embodiment. The features described in each embodiment may be freely combined. In addition, various improvements, design changes, and deletions may be added to the embodiment.

例えば、実施形態1に係る磁気素子1では、第1磁性層10と第2磁性層20との間に非磁性層30が設けられた三層膜構造を有する例を説明した。ここで、現在、非磁性層を設けず強磁性体と酸化物強磁性体の二層膜で反強磁性結合を作る研究が行われており、例えばFe/Fe34(鉄/四酸化三鉄)の二層膜が反強磁性結合することが確認されている。本発明には、このような二層膜構造を有する磁気素子が含まれると理解するべきである。 For example, in the magnetic element 1 according to the first embodiment, the example having the three-layer film structure in which the nonmagnetic layer 30 is provided between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 has been described. At present, research is being conducted to form antiferromagnetic coupling with a bilayer film of a ferromagnetic material and an oxide ferromagnetic material without providing a nonmagnetic layer. For example, Fe / Fe 3 O 4 (iron / tetraoxide) It has been confirmed that the two-layered film of (iron) is antiferromagnetically coupled. It should be understood that the present invention includes a magnetic element having such a two-layer film structure.

1 磁気素子
10 第1磁性層
11 (第1磁性層に形成された)渦状磁気構造
20 第2磁性層
21 (第2磁性層に形成された)渦状磁気構造
30 非磁性層
40 積層体
200,300 磁気メモリ装置
210,310 磁気素子(磁気メモリ素子)
220,320 データ転送線
230,330 データ書込線
241,242,341,342 渦状磁気構造対
224 データ転送電源
233,333 データ書込電源
250 レーザ光源
260 磁場発生部
270,370 磁気抵抗センサ
380 データ転送用駆動部
381 絶縁積層体
382 一対の電極
384 データ転送電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Magnetic element 10 1st magnetic layer 11 Vortex magnetic structure 20 (formed in the 1st magnetic layer) 2nd magnetic layer 21 Vortex magnetic structure 30 (formed in the 2nd magnetic layer) Nonmagnetic layer 40 Laminate 200, 300 Magnetic memory device 210, 310 Magnetic element (magnetic memory element)
220, 320 Data transfer lines 230, 330 Data write lines 241, 242, 341, 342 Spiral magnetic structure pair 224 Data transfer power supply 233, 333 Data write power supply 250 Laser light source 260 Magnetic field generator 270, 370 Magnetoresistive sensor 380 Data Transfer drive unit 381 Insulating laminate 382 Pair of electrodes 384 Data transfer power supply

Claims (13)

面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第1磁性層および第2磁性層を備え、
前記第1磁性層および前記第2磁性層には、前記第1磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造が形成され、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、
磁気素子。
A first magnetic layer and a second magnetic layer magnetized in a direction perpendicular to the plane and antiferromagnetic exchange coupled;
The first magnetic layer and the second magnetic layer are formed with a pair of spiral magnetic structures whose rotational directions are opposite to each other when viewed from the first magnetic layer side,
The direction of the magnetic moment is antiparallel between the center of each vortex magnetic structure and the outside of the vortex magnetic structure.
Magnetic element.
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に非磁性層を備えた、
請求項1に記載の磁気素子。
A nonmagnetic layer is provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer;
The magnetic element according to claim 1.
面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第1磁性層および第2磁性層を備えた積層体を準備するステップと、
前記第1磁性層の一部にレーザ光を照射して局所的な加熱を行うステップと、
前記第1磁性層の磁化方向と逆向きに外部磁場を印加し、前記第1磁性層の一部で磁気モーメントを反転させるステップとを含む、
磁気素子の製造方法。
Providing a laminate comprising a first magnetic layer and a second magnetic layer magnetized in a perpendicular direction and antiferromagnetic exchange coupled;
Irradiating a part of the first magnetic layer with a laser beam to perform local heating;
Applying an external magnetic field in a direction opposite to the magnetization direction of the first magnetic layer, and reversing the magnetic moment in a part of the first magnetic layer,
A method for manufacturing a magnetic element.
前記加熱するステップでは、前記第1磁性層の一部の温度をキュリー温度より高い温度まで上昇させ、
前記外部磁場を印加するステップでは、前記第1磁性層の一部で磁気モーメントが反転し、前記第1磁性層のその他の部分で磁気モーメントが反転しない大きさの外部磁場を印加する、
請求項3に記載の磁気素子の製造方法。
In the heating step, the temperature of a part of the first magnetic layer is raised to a temperature higher than the Curie temperature,
In the step of applying the external magnetic field, an external magnetic field having a magnitude such that the magnetic moment is reversed in a part of the first magnetic layer and the magnetic moment is not reversed in the other part of the first magnetic layer.
The method for manufacturing a magnetic element according to claim 3.
磁気素子と、
前記磁気素子にデータを書き込むための書込部と、
前記磁気素子に書き込まれたデータを読み出すための読出部とを備え、
前記磁気素子は、面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第1磁性層および第2磁性層を有し、
前記書込部は、前記第1磁性層および前記第2磁性層に、前記第1磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造を形成するように構成され、
前記読出部は、前記磁気素子に前記一対の渦状磁気構造が存在するか否かを、1ビットのデータとして読み出すように構成され、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、
磁気メモリ装置。
A magnetic element;
A writing unit for writing data to the magnetic element;
A reading unit for reading data written in the magnetic element,
The magnetic element has a first magnetic layer and a second magnetic layer that are magnetized in a perpendicular direction and are antiferromagnetic exchange coupled,
The writing unit is configured to form a pair of spiral magnetic structures whose rotation directions are opposite to each other when viewed from the first magnetic layer side in the first magnetic layer and the second magnetic layer,
The reading unit is configured to read whether or not the pair of spiral magnetic structures exists in the magnetic element as 1-bit data,
The direction of the magnetic moment is antiparallel between the center of each vortex magnetic structure and the outside of the vortex magnetic structure.
Magnetic memory device.
前記読出部は、磁気抵抗効果素子を有し、
前記磁気抵抗効果素子は、その一部に前記第1磁性層または前記第2磁性層を含む、
請求項5に記載の磁気メモリ装置。
The reading unit has a magnetoresistive element,
The magnetoresistive element includes the first magnetic layer or the second magnetic layer in a part thereof,
The magnetic memory device according to claim 5.
前記磁気素子は、前記読出部が設けられたデータ転送線と、前記書込部が設けられたデータ書込線とを有し、
前記データ書込線は、前記データ転送線に対して交差して設けられている、
請求項5または6に記載の磁気メモリ装置。
The magnetic element has a data transfer line provided with the read unit and a data write line provided with the write unit,
The data write line is provided to intersect the data transfer line.
The magnetic memory device according to claim 5.
前記一対の渦状磁気構造を電流駆動し、前記データ転送線の上を移動させる駆動部をさらに備えた、
請求項7に記載の磁気メモリ装置。
A drive unit that current-drives the pair of vortex magnetic structures and moves over the data transfer line;
The magnetic memory device according to claim 7.
前記データ転送線は、第1端および第2端を有する開ループ形状を有し、
前記駆動部は、前記第1端と前記第2端とを接続するように設けられた絶縁層と、前記第1端および前記第2端にそれぞれ接し且つ前記絶縁層に隣接して設けられた第1駆動電極および第2駆動電極と、前記第1駆動電極と前記第2駆動電極との間に電圧を印加する電源とを有する、
請求項8に記載の磁気メモリ装置。
The data transfer line has an open loop shape having a first end and a second end,
The drive unit is provided so as to connect the first end and the second end, and is in contact with the first end and the second end and adjacent to the insulating layer. A first drive electrode and a second drive electrode; and a power supply for applying a voltage between the first drive electrode and the second drive electrode.
The magnetic memory device according to claim 8.
前記駆動部は、約10A/m以上約1010A/m以下の電流密度で、前記一対の渦状磁気構造を電流駆動する、
請求項8または9に記載の磁気メモリ装置。
The drive unit current-drives the pair of vortex magnetic structures at a current density of about 10 6 A / m 2 or more and about 10 10 A / m 2 or less;
The magnetic memory device according to claim 8 or 9.
前記読出部は、前記データ転送線と前記データ書込線との交差領域に設けられている、
請求項8から10のいずれか1項に記載の磁気メモリ装置。
The read unit is provided in an intersection region between the data transfer line and the data write line.
The magnetic memory device according to claim 8.
前記書込部は、前記磁気素子の前記第1磁性層を局所的に加熱する加熱部と、前記磁気素子に外部磁場を印加する磁場発生部とを有する、
請求項5から11のいずれか1項に記載の磁気メモリ装置。
The writing unit includes a heating unit that locally heats the first magnetic layer of the magnetic element, and a magnetic field generation unit that applies an external magnetic field to the magnetic element.
The magnetic memory device according to claim 5.
前記加熱部は、レーザ光源である、
請求項12に記載の磁気メモリ装置。
The heating unit is a laser light source.
The magnetic memory device according to claim 12.
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