JP2021132110A - 磁壁移動素子および磁気記録アレイ - Google Patents

磁壁移動素子および磁気記録アレイ Download PDF

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Abstract

【課題】漏れ磁場の少ない磁壁移動素子及び磁気記録アレイを提供する。【解決手段】本実施形態にかかる磁壁移動素子は、強磁性体を含む磁気記録層と、前記磁気記録層に積層された非磁性層と、前記非磁性層に積層された磁化参照層と、を備え、前記磁気記録層は、前記非磁性層側から順に、第１強磁性層とスペーサ層と第２強磁性層とを有し、前記第1強磁性層と前記第２強磁性層とは反強磁性カップリングし、前記磁気記録層は、前記第１強磁性層の膜厚と飽和磁化との積が前記第２強磁性層の膜厚と飽和磁化との積より大きい中央領域と、前記第１強磁性層の膜厚と飽和磁化との積が前記第２強磁性層の膜厚と飽和磁化との積より小さい外側領域と、を有し、前記外側領域は、積層方向からの平面視で前記中央領域より外側にある。【選択図】図３

Description

本発明は、磁壁移動素子および磁気記録アレイに関する。
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。
ＭＲＡＭは、磁化の向きの変化によって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。データ記録は、ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗変化素子のそれぞれが担っている。例えば、特許文献１には、磁気記録層内における磁壁を移動させることで、多値のデータを記録することができる磁気抵抗変化素子（磁壁移動素子）が記載されている。
特許第５２０６４１４号公報
磁壁移動素子は、磁壁の位置によって抵抗値が異なり、この抵抗値の変化をデータとして記録する。磁壁の移動速度が遅いと抵抗値の変動が緩やかになる。その結果、一つの磁壁移動素子が記録できるデータの階調が増え、データ変化がアナログになる。例えば、人間の脳を模倣したニューラルネットワークでは、アナログなデータ記録が求められている。磁壁が移動する磁気記録層の飽和磁化を大きくすると、磁壁の移動速度が遅くなる。一方で、磁気記録層の飽和磁化が大きくなると外部への漏れ磁場が大きくなり、他の素子への影響が生じる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、漏れ磁場を小さくできる磁壁移動素子及び磁気記録アレイを提供することを目的とする。
（１）第１の態様にかかる磁壁移動素子は、強磁性体を含む磁気記録層と、前記磁気記録層に積層された非磁性層と、前記非磁性層に積層された磁化参照層と、を備え、前記磁気記録層は、前記非磁性層側から順に、第１強磁性層とスペーサ層と第２強磁性層とを有し、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは反強磁性カップリングし、前記磁気記録層は、前記第１強磁性層の膜厚と飽和磁化との積が前記第２強磁性層の膜厚と飽和磁化との積より大きい中央領域と、前記第１強磁性層の膜厚と飽和磁化との積が前記第２強磁性層の膜厚と飽和磁化との積より小さい外側領域と、を有し、前記外側領域は、積層方向からの平面視で前記中央領域より外側にある。
（２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２強磁性層は、前記積層方向からの平面視で、前記第１強磁性層より外側に突出していてもよい。
（３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記外側領域は、前記磁気記録層が延びる第１方向の端部にあってもよい。
（４）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記磁気記録層が延びる第１方向に離間して前記磁気記録層に接続された第１導電層と第２導電層とを有し、前記第１導電層及び第２導電層の少なくとも一部は、前記積層方向からの平面視で、前記中央領域と重なってもよい。
（５）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記磁気記録層が延びる第１方向に離間して前記磁気記録層に接続された第１導電層と第２導電層とを有し、前記第１導電層は、前記積層方向からの平面視で、前記外側領域と重なり、前記第２導電層は、前記積層方向からの平面視で、前記中央領域と重なってもよい。
（６）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記外側領域は、前記磁気記録層が延びる第１方向と交差する第２方向の端部にあってもよい。
（７）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記外側領域は、前記磁気記録層が延びる第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向の端部のいずれにもあってもよい。
（８）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記外側領域の一部は、前記第１強磁性層を有さなくてもよい。
（９）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１強磁性層は、膜厚が第１膜厚である第１領域と、膜厚が前記第１膜厚と異なる第２領域とを有してもよく、前記第２領域は、積層方向からの平面視で前記第１領域より外側にある。
（１０）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記スペーサ層は、前記第２強磁性層の前記第１強磁性層側の第１面の全てを覆っていてもよい。
（１１）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記磁気記録層の側壁は、前記積層方向に対して傾斜し、前記第１強磁性層、前記スペーサ層及び前記第２強磁性層の側壁は連続していてもよい。
（１２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記積層方向からの平面視で、前記磁化参照層は、前記中央領域と重なってもよい。
（１３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記外側領域と前記中央領域の境界から前記外側領域の端部までの長さは、前記中央領域における前記第１強磁性層の膜厚の１０倍以下であってもよい。
（１４）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層は複数の層からなり、前記複数の層は、複数の強磁性層と、前記複数の強磁性層の間にある第２スペーサ層と、を有してもよい。
（１５）第２の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁壁移動素子を複数有する。
上記態様にかかる磁壁移動素子及び磁気記録アレイは、漏れ磁場が少ない。
第１実施形態に係る磁気記録アレイの構成図である。 第１実施形態に係る磁気記録アレイの特徴部分の断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子の平面図である。 実施例にかかる磁壁移動素子と比較例にかかる磁壁移動素子の漏れ磁場の大きさを比較した図である。 第１変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。 第２変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。 第３変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。 第４変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。 第５変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。 第６変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
まず方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面と略平行な方向である。ｘ方向は、後述する磁気記録層１０が延びる方向であり、後述する第１導電層４０から第２導電層５０へ向かう方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｙ方向は、第２方向の一例である。ｚ方向は、後述する基板Ｓｕｂから磁壁移動素子１００へ向かう方向である。ｚ方向は、例えば、磁気記録層１０の積層方向と一致する。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁壁移動素子１００と、複数の第１配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと、複数の第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと、複数の第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ、積和演算器、ニューロモーフィックデバイスに利用できる。
＜第１配線、第２配線、第３配線＞
第１配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、書き込み配線である。第１配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００の一端に接続される。
第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方に用いることができる配線である。第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁壁移動素子１００に亘って設けられてもよい。
第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、読み出し配線である。第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００の一端に接続される。
＜第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子＞
図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに接続されている。第１スイッチング素子１１０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第１配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に接続されている。
第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎと第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎと第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁壁移動素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、第１配線Ｗｐ１〜Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、第２配線Ｃｍ１〜Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、第３配線Ｒｐ１〜Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。
図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図２は、図１における一つの磁壁移動素子１００を磁気記録層１０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
図２に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄと、を有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。第３スイッチング素子１３０は、電極Ｅと電気的に接続され、例えば、ｙ方向に位置する。
トランジスタＴｒのそれぞれと磁壁移動素子１００とは、接続配線Ｃｗを介して、電気的に接続されている。接続配線Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。接続配線Ｃｗは、例えば、ｚ方向に延びる。接続配線Ｃｗは、例えば、絶縁層９０の開口部に形成されたビア配線である。
磁壁移動素子１００とトランジスタＴｒとは、接続配線Ｃｗを除いて、絶縁層９０によって電気的に分離されている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。
「磁壁移動素子」
図３は、磁壁移動素子１００を磁気記録層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図４は、磁壁移動素子１００を磁気記録層１０のｘ方向の中心を通るｙｚ平面で切断した断面図である。図５は、磁壁移動素子１００をｚ方向から平面視した平面図である。
磁壁移動素子１００は、磁気記録層１０と非磁性層２０と磁化参照層３０と第１導電層４０と第２導電層５０とを有する。磁壁移動素子１００は、絶縁層９０に覆われている。磁壁移動素子１００にデータを書き込む際は、第１導電層４０と第２導電層５０との間の磁気記録層１０に書き込み電流を流す。磁壁移動素子１００からデータを読み出す際は、第１導電層４０又は第２導電層５０と磁化参照層３０との間に読み出し電流を流す。
「磁気記録層」
磁気記録層１０は、ｘ方向に延びる。磁気記録層１０は、データの書き込み時に、書き込み電流が流れる。磁気記録層１０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。磁気記録層１０は、強磁性層、磁壁移動層と呼ばれる場合がある。
磁気記録層１０は、内部に磁壁ＤＷを有する。磁壁ＤＷは、第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との境界である。第１磁区ＭＤ１は、例えば、磁気記録層１０において磁壁ＤＷより第１導電層４０側の領域である。第２磁区ＭＤ２は、例えば、磁気記録層１０において磁壁ＤＷより第２導電層５０側の領域である。第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ１Ａ，Ｍ２Ａと第２磁区ＭＤ２の磁化Ｍ１Ｂ，Ｍ２Ｂとは、異なる方向に配向する。第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ１Ａ，Ｍ２Ａと第２磁区ＭＤ２の磁化Ｍ１Ｂ，Ｍ２Ｂとは、例えば、反対方向に配向する。
磁壁ＤＷが移動すると、磁気記録層１０における第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との比率が変化する。磁壁ＤＷは、磁気記録層１０のｘ方向に書き込み電流を流すことによって移動する。例えば、磁気記録層１０に＋ｘ方向の書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の−ｘ方向に流れ、磁壁ＤＷは−ｘ方向に移動する。第１磁区ＭＤ１から第２磁区ＭＤ２に向って電流が流れる場合、第２磁区ＭＤ２でスピン偏極した電子は、第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ１Ａ，Ｍ２Ａを磁化反転させる。第１磁区ＭＤ１の磁化Ｍ１Ａ、Ｍ２Ａが磁化反転することで、磁壁ＤＷは−ｘ方向に移動する。
磁気記録層１０における第１磁区ＭＤ１と第２磁区ＭＤ２との比率が変化すると、磁壁移動素子１００の抵抗値が変化する。磁壁移動素子１００の抵抗値は、非磁性層２０を挟む強磁性層の磁化の相対角に応じて変化する。図３に示す磁壁移動素子１００の場合、第１強磁性層１の磁化Ｍ１Ａ，Ｍ１Ｂと強磁性層３１の磁化Ｍ３１との相対角に応じて変化する。第１磁区ＭＤ１の比率が多くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は小さくなり、第２磁区ＭＤ２の比率が多くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は大きくなる。
磁気記録層１０は、非磁性層２０側から順に、第１強磁性層１とスペーサ層３と第２強磁性層２とを有する。スペーサ層３は、第１強磁性層１と第２強磁性層２とに挟まれる。第１強磁性層１の磁化Ｍ１Ａ、Ｍ１Ｂはそれぞれ、スペーサ層３を介して、第２強磁性層の磁化Ｍ２Ａ、Ｍ２Ｂのそれぞれと反強磁性カップリングしている。
磁気記録層１０は、中央領域ＣＡと外側領域ＯＡとを有する。外側領域ＯＡは、中央領域ＣＡより外側にある。図３〜図５に示す磁気記録層１０における外側領域ＯＡは、中央領域ＣＡのｘ方向及びｙ方向の両方の外側にある。
外側領域ＯＡは、例えば、中央領域ＣＡよりｘ方向の外側にある。例えば、磁気記録層１０のｘ方向の端部は、外側領域ＯＡに含まれる。外側領域ＯＡが中央領域ＣＡのｘ方向の外側にあると、ｘ方向に還流磁区が形成され、磁気記録層１０の単磁区化が防止される。還流磁区は、外側領域ＯＡにおける磁化Ｍ２Ａ又は磁化Ｍ２Ｂと、中央領域ＣＡにおける磁化Ｍ１Ａと磁化Ｍ２Ａの差分又は磁化Ｍ１Ｂと磁化Ｍ２Ｂの差分と、によって形成される。
また外側領域ＯＡは、例えば、中央領域ＣＡよりｙ方向の外側にある。例えば、磁気記録層１０のｙ方向の端部は、外側領域ＯＡに含まれる。外側領域ＯＡが中央領域ＣＡのｙ方向の外側にあると、ｙ方向に還流磁区が形成される。還流磁区は、磁気記録層１０の磁化を安定化させ、データの保持性能を高める。
中央領域ＣＡは、第１強磁性層１の膜厚ｔ１と飽和磁化との積が、第２強磁性層２の膜厚ｔ２と飽和磁化との積より大きい領域である。外側領域ＯＡは、第１強磁性層１の膜厚ｔ１と飽和磁化との積が、第２強磁性層２の膜厚ｔ２と飽和磁化との積より小さい領域である。第１強磁性層１及び第２強磁性層２の膜厚ｔ１，ｔ２は、ＸＹ面内の平均値である。
磁壁移動素子１００に組み込まれた各層の飽和磁化を測定することは難しい。そのため、強磁性層の飽和磁化は、構成が同様の膜を平板上に成膜することで、評価できる。
中央領域ＣＡにおいて、第１強磁性層１の膜厚ｔ１は、例えば、第２強磁性層２の膜厚ｔ２より厚い。中央領域ＣＡにおいて、第１強磁性層１の膜厚ｔ１は、例えば、第２強磁性層２の膜厚ｔ２の２倍以上である。外側領域ＯＡにおいて、第２強磁性層２は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層１より外側に突出している。例えば、外側領域ＯＡと中央領域ＣＡとの境界から外側領域ＯＡの端部までの長さＬ１０は、中央領域ＣＡにおける第１強磁性層１の膜厚ｔ１の１０倍以下である。例えば、ｚ方向からの平面視で、第２強磁性層２の第１強磁性層1に対する突出量は、中央領域ＣＡにおける第１強磁性層１の膜厚ｔ１の１０倍以下である。外側領域ＯＡの中央領域ＣＡに対する突出量が増すと、外側領域ＯＡからの漏れ磁場が増える。図３において、外側領域ＯＡは、第１強磁性層１を有さず、スペーサ層３と第２強磁性層２からなる。外側領域ＯＡが第１強磁性層１を有さない場合は、外側領域ＯＡにおける第１強磁性層１の膜厚は、ゼロとして扱う。
第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、磁性体を含む。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、単層の強磁性層でも、複数の強磁性層が互いに強磁性カップリングした積層体でもよい。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有する。第１強磁性層１及び第２強磁性層２は、例えば、ＣｏＦｅとＰｔの積層膜、ＣｏＦｅとＰｄの積層膜、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料である。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁ＤＷを移動するために必要な閾値電流が小さくなる。またＣｏＦｅとＰｔの積層膜、ＣｏＦｅとＰｄの積層膜、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁ＤＷの移動速度が遅くなる。
スペーサ層３は、非磁性体からなる。スペーサ層３は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈである。スペーサ層３は、例えば、第２強磁性層２の第１面２Ａの全面を覆っている。スペーサ層３が第２強磁性層２の第１面２ａの全面を覆うと、第２強磁性層２がスペーサ層３によってプロセスダメージから保護される。
「非磁性層」
非磁性層２０は、磁気記録層１０と磁化参照層３０との間に位置する。非磁性層２０は、磁気記録層１０の一面に積層される。
非磁性層２０は、例えば、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。非磁性層２０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層２０はトンネルバリア層である。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
非磁性層２０の厚みは、例えば、２０Å以上であり、２５Å以上でもよい。非磁性層２０の厚みが厚いと、磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０４Ωμｍ２以上であることが好ましく、５×１０４Ωμｍ２以上であることがより好ましい。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの磁壁移動素子１００の素子抵抗と磁壁移動素子１００の素子断面積（非磁性層２０をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。
「磁化参照層」
磁化参照層３０は、非磁性層２０に積層されている。磁化参照層３０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、中央領域ＣＡと重なる。外側領域ＯＡの近傍は、中央領域ＣＡと比較して漏れ磁場が生じやすい。磁化参照層３０が中央領域ＣＡと重なることで、磁化参照層３０への漏れ磁場の影響を抑制できる。
磁化参照層３０は、例えば、強磁性層３１、中間層３２、強磁性層３３からなる。強磁性層３１の磁化Ｍ３１と強磁性層３３の磁化Ｍ３３とは、反強磁性カップリングしている。
強磁性層３１は、強磁性体を含む。強磁性層３１は、例えば、磁気記録層１０との間で、コヒーレントトンネル効果を得やすい材料を含む。強磁性層３１は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を含む。強磁性層３１は、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅである。
強磁性層３１は、例えば、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
中間層３２は、非磁性層である。中間層３２は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈである。
強磁性層３３は、強磁性層３１と反強磁性カップリングしている。強磁性層３３は、例えば、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ等である。
強磁性層３１の膜厚と飽和磁化との積は、強磁性層３３の膜厚と飽和磁化との積と略同一である。強磁性層３１の膜厚と強磁性層３３の膜厚とは、例えば同じである。磁化参照層３０は、シンセティック反強磁性構造をしている。
強磁性層３１は、一方向に配向した磁化Ｍ３１を有する。強磁性層３１の磁化Ｍ３１は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１の磁化Ｍ１Ａ、Ｍ１Ｂよりも磁化反転しにくい。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。
磁壁移動素子１００の各層の磁化の向きは、例えば磁化曲線を測定することにより確認できる。磁化曲線は、例えば、ＭＯＫＥ（Magneto Optical Kerr Effect）を用いて測定できる。ＭＯＫＥによる測定は、直線偏光を測定対象物に入射させ、その偏光方向の回転等が起こる磁気光学効果(磁気Kerr効果)を用いることにより行う測定方法である。
「第１導電層及び第２導電層」
第１導電層４０及び第２導電層５０は、磁気記録層１０に接続される。第１導電層４０と第２導電層５０とは、磁気記録層１０の同じ面に接続されても、異なる面に接続されてもよい。第２導電層５０は、第１導電層４０と離間して磁気記録層１０に接続される。ｚ方向からの平面視で、第１導電層４０と第２導電層５０とは、磁気記録層１０の幾何中心をｘ方向に挟む。第１導電層４０は例えば磁気記録層１０の第１端部に接続され、第２導電層５０は例えば磁気記録層１０の第２端部に接続される。第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、接続配線Ｃｗと磁気記録層１０とを接続する電極である。第１導電層４０及び第２導電層５０は、導電体を含み、強磁性体を含んでもよい。
第１導電層４０及び第２導電層５０の少なくとも一部は、例えば、ｚ方向からの平面視で、中央領域ＣＡと重なる。磁気記録層１０の厚みが薄くなると、磁壁ＤＷの移動速度が速くなる。ｚ方向において、第１導電層４０及び第２導電層５０が中央領域ＣＡと重なると、磁気記録層１０の厚みが薄い外側領域ＯＡに至る前に、電流が第１導電層４０及び第２導電層５０に流れる。その結果、磁壁ＤＷが急速に動くことが避けられ、磁気記録層１０が単磁区化することが避けられる。
次いで、磁気記録アレイ２００の製造方法について説明する。磁気記録アレイ２００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。
まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄを形成する。次いで、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。
次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９０を形成する。また絶縁層９０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで接続配線Ｃｗが形成される。第１配線Ｗｐ、第２配線Ｃｍは、絶縁層９０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９０に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、絶縁層９０及び接続配線Ｃｗの一面に、導電層を積層し、第１導電層４０及び第２導電層５０となる部分以外を除去することで形成できる。除去された部分は、例えば、絶縁層９０で埋める。
次いで、第１導電層４０、第２導電層５０及び絶縁層９０上に、磁気記録層１０、非磁性層２０及び磁化参照層３０を順に積層する。その後、非磁性層２０及び磁化参照層３０を所定の形状に加工することで、磁壁移動素子１００が得られる。
第１実施形態に係る磁壁移動素子１００は、中央領域ＣＡから生じる漏れ磁場を外側領域ＯＡで生じる磁場が弱める。
図６は、実施例にかかる磁壁移動素子と比較例にかかる磁壁移動素子の漏れ磁場の大きさを比較した図である。図６における横軸は、磁壁移動素子の端部からの距離である。図６における縦軸は、規格化されたz方向の磁束密度である。
実施例にかかる磁壁移動素子は、図３〜図５に示す磁壁移動素子１００である。これに対し、比較例にかかる磁壁移動素子は、外側領域を有さない点が実施例にかかる磁壁移動素子と異なる。比較例にかかる磁壁移動素子は、ｚ方向からの平面視で、第２強磁性層２が第１強磁性層１から外側に突出していない。比較例にかかる磁壁移動素子は、ｘ方向及びｙ方向のいずれの位置においても、第１強磁性層１の膜厚ｔ１と飽和磁化との積が、第２強磁性層２の膜厚ｔ２と飽和磁化との積より大きい。
図６に示すように、実施例にかかる磁壁移動素子は、比較例にかかる磁壁移動素子と比較して、漏れ磁場が抑制されている。
上述のように、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００は、漏れ磁場が少なく、他の素子を近接させることができる。隣接する磁壁移動素子１００間の距離を近づけることができると、磁気記録アレイ２００の集積性を高めることができる。
第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００及び磁壁移動素子１００の一例について詳述したが、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００及び磁壁移動素子１００は、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
例えば、外側領域ＯＡは、中央領域ＣＡのｘ方向にのみあってもよく、中央領域ＣＡのｙ方向のみにあってもよい。
（第１変形例）
図７は、第１変形例にかかる磁壁移動素子１０１を磁気記録層１１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。磁壁移動素子１０１は、ｚ方向からの平面視で、第１導電層４０が中央領域ＣＡ１と重ならず、外側領域ＯＡ１と重なっている点が磁壁移動素子１００と異なる。図７において、図３と同様の構成についての説明は省く。
磁気記録層１１は、第１強磁性層４とスペーサ層３と第２強磁性層２とを有する。磁気記録層１１は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層４が第２導電層５０と重なっている点が、図３に示す磁気記録層１０と異なる。非磁性層２１及び磁化参照層３５は、ｚ方向からの平面視で、第２導電層５０と重なっている点が、図３に示す非磁性層２０及び磁化参照層３０と異なる。磁化参照層３５は、強磁性層３６，３７と中間層３８とを有する。
磁気記録層１１は、中央領域ＣＡ１と外側領域ＯＡ１とを有する。磁気記録層１１において、中央領域ＣＡ１は、ｚ方向において第１強磁性層４と第２強磁性層２とが重なる領域である。外側領域ＯＡ１は、ｚ方向において第１強磁性層４と第２強磁性層２とが重ならない領域である。
ｚ方向からの平面視で、第１導電層４０は外側領域ＯＡ１と重なり、第２導電層５０は中央領域ＣＡ１と重なる。
第１変形例にかかる磁壁移動素子１０１は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また磁壁移動素子１０１は、磁壁ＤＷの導入が容易である。磁壁移動素子１０１は、一方向に大きな外部磁場を印加した後に、当該磁場を除去すると磁壁ＤＷが導入される。外側領域ＯＡ１は、外部磁場を除去した後も外部磁場を印加した方向に磁化し、中央領域ＣＡ１は、第２強磁性層２との反強磁性カップリングにより外部磁場の印加方向と反対方向に磁化するためである。
（第２変形例）
図８は、第２変形例にかかる磁壁移動素子１０２を磁気記録層１２のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。磁壁移動素子１０２は、磁気記録層１２の第１強磁性層５が膜厚の異なる部分を有する点が磁壁移動素子１００と異なる。図８において、図３と同様の構成についての説明は省く。
磁気記録層１２は、第１強磁性層５とスペーサ層３と第２強磁性層２とを有する。第１強磁性層５は、膜厚が第１膜厚である第１領域５Ａと、膜厚が第１膜厚と異なる第２領域５Ｂと、からなる。第２領域５Ｂは、第１領域５Ａよりｘ方向及びｙ方向の外側にある。
磁気記録層１２は、中央領域ＣＡ２と外側領域ＯＡ２とを有する。磁気記録層１１において、中央領域ＣＡ２は、例えば、ｚ方向において第１領域５Ａと第２強磁性層２とが重なる。外側領域ＯＡ２は、例えば、第２領域５Ｂを含む。外側領域ＯＡ２おける第１強磁性層１の膜厚と飽和磁化との積は、第２領域５Ｂの膜厚と飽和磁化との積である。
第２変形例にかかる磁壁移動素子１０２は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また磁壁移動素子１０２は、第２領域５Ｂが存在することで、第１強磁性層５と第２強磁性層２との間の磁化の関係が急激に変化することが抑制される。その結果、磁気記録層１２の意図しない位置に磁壁ＤＷが生じることが避けられる。
（第３変形例）
図９は、第３変形例にかかる磁壁移動素子１０３を磁気記録層１３のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。磁壁移動素子１０３は、磁気記録層１３の側壁１３ｓがｚ方向に対して傾斜している点が磁壁移動素子１００と異なる。図９において、図３と同様の構成についての説明は省く。
磁気記録層１３は、第１強磁性層６とスペーサ層８と第２強磁性層７とを有する。第１強磁性層６は、膜厚が第１膜厚である第１領域６Ａと、膜厚が第１膜厚と異なる第２領域６Ｂと、からなる。第２領域６Ｂは、第１領域６Ａよりｘ方向及びｙ方向の外側にある。
磁気記録層１３は、中央領域ＣＡ３と外側領域ＯＡ３とを有する。磁気記録層１３において、中央領域ＣＡ３は、例えば、第１強磁性層６の膜厚が第２強磁性層７の膜厚より厚い領域である。外側領域ＯＡ３は、例えば、中央領域ＣＡ３の外側にある。外側領域ＯＡ３おける第１強磁性層１及び第２強磁性層の膜厚は、平均膜厚である。
第１強磁性層６、スペーサ層８及び第２強磁性層７の側壁は連続し、全体で側壁１３ｓとなる。ここで、側壁が連続するとは、ｘｚ平面又はｙｚ平面による切断面における側面の傾斜角の傾きが連続して変化することを意味する。
第３変形例にかかる磁壁移動素子１０３は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また第１導電層４０と第２導電層５０との間に流れる書き込み電流の流れがスムーズになり、局所的な発熱等が避けられる。
（第４変形例）
図１０は、第４変形例にかかる磁壁移動素子１０４を磁気記録層１４のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。磁壁移動素子１０４は、第１強磁性層９が複数の層からなる点が磁壁移動素子１００と異なる。図９において、図３と同様の構成についての説明は省く。
磁気記録層１４は、第１強磁性層９とスペーサ層３と第２強磁性層２とを有する。第２強磁性層２は、ｚ方向からの平面視で、第１強磁性層９より外側に突出する。
第１強磁性層９は、第１層９Ａ、第２層９Ｂ、第３層９Ｃからなる。第２層９Ｂは、第１層９Ａと第３層９Ｃとに挟まれる。第１層９Ａ及び第３層９Ｃは強磁性体である。第１層９Ａ及び第３層９Ｃは、例えば、第１強磁性層１と同様の材料からなる。第１層９Ａの磁化Ｍ９ＡＡ，Ｍ９ＡＢは、第３層９Ｃの磁化Ｍ９ＣＡ，Ｍ９ＣＢと反強磁性カップリングしている。第２層９Ｂは、非磁性体である。第２層９Ｂは、例えば、スペーサ層３と同様の材料からなる。
磁気記録層１４は、中央領域ＣＡ４と外側領域ＯＡ４とを有する。磁気記録層１４において、中央領域ＣＡ４は、例えば、第１強磁性層９の膜厚ｔ９と飽和磁化の積が、第２強磁性層２の膜厚ｔ２と飽和磁化の積より大きい領域である。第１強磁性層９の膜厚ｔ９は、第１層９Ａ及び第３層９Ｃのそれぞれの膜厚を足し合わせた厚みである。第１強磁性層９の飽和磁化は、第１層９Ａの飽和磁化と第３層９Ｃの飽和磁化との差分である。外側領域ＯＡ４は、例えば、第１強磁性層９の膜厚ｔ９と飽和磁化の積が、第２強磁性層２の膜厚ｔ２と飽和磁化の積より小さい領域である。外側領域ＯＡ４は、例えば、中央領域ＣＡ４の外側にある。
第４変形例にかかる磁壁移動素子１０４は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また第１強磁性層９の飽和磁化を第１層９Ａの飽和磁化と第３層９Ｃの飽和磁化との差分とすることで、第１強磁性層９の飽和磁化の調整が容易になる。また第１強磁性層９が３層の場合を例示したが、第１強磁性層の層数は問わない。また第２強磁性層２が複数の層からなってもよい。
（第５変形例）
図１１は、第５変形例にかかる磁壁移動素子１０５をｚ方向から平面視した平面図である。磁壁移動素子１０５は、外側領域ＯＡ５の中央領域ＣＡに対する突出幅が場所によって異なる点が、磁壁移動素子１００と異なる。図１１において、図５と同様の構成についての説明は省く。
磁気記録層１５は、中央領域ＣＡと外側領域ＯＡ５とを有する。外側領域ＯＡ５の中央領域ＣＡに対する突出幅は、ｘ方向及びｙ方向の中央より端部が広い。第２強磁性層２の飽和磁化は、第１強磁性層1と比較して小さく、磁壁ＤＷの移動速度が速い。第２強磁性層２の幅を素子中央から端部に向かって広げると、素子端部に近づくほど電流密度が低下する。素子端部に近づくほど電流密度が小さくなると、磁壁ＤＷの移動速度が素子端部に近づくにつれて遅くなる。その結果、磁壁ＤＷが素子端部に達して単磁区化することを防ぐことができる。
第５変形例にかかる磁壁移動素子１０５は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。
（第６変形例）
図１２は、第６変形例にかかる磁壁移動素子１０６をｚ方向から平面視した平面図である。磁壁移動素子１０６は、外側領域ＯＡ６の中央領域ＣＡに対する突出幅が場所によって異なる点が、磁壁移動素子１００と異なる。図１２において、図５と同様の構成についての説明は省く。
磁気記録層１６は、中央領域ＣＡと外側領域ＯＡ６とを有する。外側領域ＯＡ６の中央領域ＣＡに対する突出幅は、ｘ方向及びｙ方向の中央より端部が狭い。ｚ方向から見た際の磁壁移動素子１０６の外周部分に当たる第２強磁性層の形状が楕円に近づくと、磁壁移動素子１０６に生じる面内応力を小さくし、磁壁移動素子１０６の特性に影響が生じることを抑制できる。
第６変形例にかかる磁壁移動素子１０６は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述した。実施形態及び変形例における特徴的な構成は、それぞれ組み合わせてもよい。
１，４，５，６，９ 第１強磁性層
２，７ 第２強磁性層
２Ａ 第１面
３，８ スペーサ層
５Ａ，６Ａ 第１領域
５Ｂ，６Ｂ 第２領域
１０，１１，１２，１３，１４，１５，１６ 磁気記録層
２０，２１ 非磁性層
３０，３５ 磁化参照層
４０ 第１導電層
５０ 第２導電層
１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５ 磁壁移動素子
２００ 磁気記録アレイ
ＣＡ，ＣＡ１，ＣＡ２，ＣＡ３，ＣＡ４ 中央領域
ＤＷ 磁壁
ＯＡ，ＯＡ１，ＯＡ２，ＯＡ３，ＯＡ４，ＯＡ５，ＯＡ６ 外側領域
ｔ１，ｔ２ 膜厚

Claims (15)

  1. 強磁性体を含む磁気記録層と、
    前記磁気記録層に積層された非磁性層と、
    前記非磁性層に積層された磁化参照層と、を備え、
    前記磁気記録層は、前記非磁性層側から順に、第１強磁性層とスペーサ層と第２強磁性層とを有し、
    前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、反強磁性カップリングし、
    前記磁気記録層は、
    前記第１強磁性層の膜厚と飽和磁化との積が前記第２強磁性層の膜厚と飽和磁化との積より大きい中央領域と、
    前記第１強磁性層の膜厚と飽和磁化との積が前記第２強磁性層の膜厚と飽和磁化との積より小さい外側領域と、を有し、
    前記外側領域は、積層方向からの平面視で前記中央領域より外側にある、磁壁移動素子。
  2. 前記第２強磁性層は、前記積層方向からの平面視で、前記第１強磁性層より外側に突出している、請求項１に記載の磁壁移動素子。
  3. 前記外側領域は、前記磁気記録層が延びる第１方向の端部にある、請求項１又は２に記載の磁壁移動素子。
  4. 前記磁気記録層が延びる第１方向に離間して前記磁気記録層に接続された第１導電層と第２導電層とを有し、
    前記第１導電層及び第２導電層の少なくとも一部は、前記積層方向からの平面視で、前記中央領域と重なる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  5. 前記磁気記録層が延びる第１方向に離間して前記磁気記録層に接続された第１導電層と第２導電層とを有し、
    前記第１導電層は、前記積層方向からの平面視で、前記外側領域と重なり、
    前記第２導電層は、前記積層方向からの平面視で、前記中央領域と重なる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  6. 前記外側領域は、前記磁気記録層が延びる第１方向と交差する第２方向の端部にある、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  7. 前記外側領域は、前記磁気記録層が延びる第１方向及び前記第１方向と交差する第２方向の端部のいずれにもある、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  8. 前記外側領域の一部は、前記第１強磁性層を有さない、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  9. 前記第１強磁性層は、膜厚が第１膜厚である第１領域と、膜厚が前記第１膜厚と異なる第２領域とを有し、
    前記第２領域は、積層方向からの平面視で前記第１領域より外側にある、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  10. 前記スペーサ層は、前記第２強磁性層の前記第１強磁性層側の第１面の全てを覆っている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  11. 前記磁気記録層の側壁は、前記積層方向に対して傾斜し、
    前記第１強磁性層、前記スペーサ層及び前記第２強磁性層の側壁は連続している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  12. 前記積層方向からの平面視で、前記磁化参照層は、前記中央領域と重なる、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  13. 前記外側領域と前記中央領域の境界から前記外側領域の端部までの長さは、前記中央領域における前記第１強磁性層の膜厚の１０倍以下である、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  14. 前記第１強磁性層又は前記第２強磁性層は複数の層からなり、
    前記複数の層は、複数の強磁性層と、前記複数の強磁性層の間にある第２スペーサ層と、を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  15. 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子を複数有する、磁気記録アレイ。
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