JP4962889B2 - 磁気メモリー - Google Patents

Description

本発明は、電流による書き込み及び読み出しができる新規な磁気メモリーに関する。

電子は、その本来的特性として電荷とスピンを有している。従来のエレクトロニクスは電子の電荷をもっぱら利用したものであるが、近年、電子のもう一つの特性であるスピンを利用したデバイスの開発が盛んである。例えば、電子のスピンを利用したロジックデバイスや、電子のスピンにより電気抵抗を制御する巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子や磁気トンネル（ＴＭＲ）素子が作製されている。

従来の磁気メモリーでは、磁化の向きの違いで情報を記録する。そのため、記録を書き込むためには磁化の向きを制御する必要があるが、従来の技術では電流を流して、それの作る磁界により磁化の向きを制御してきた。

しかし、磁気メモリーが小型化するに従い、磁界を作る電流が大きくなりすぎ、消費電力の点で磁気メモリーのサイズに限界がある。このため、非特許文献１において、電流の作るスピントルクにより磁化の方向を制御する方法が提案され注目を集めている。

ところで、磁性体において、電子のスピン流と磁性体の局在スピン間における角運動量の保存の帰結として、磁気エネルギーと電気エネルギーの変換が可能であることが知られている（非特許文献２）。非特許文献２において、一様に磁化した磁性細線において、電流を流したときに生じる磁場により局在スピンが磁壁（Ｄｏｍａｉｎ Ｗａｌｌ）を形成している場合には、この磁壁が、電子の流れと同じ方向、つまり、電流と逆方向に動くことが報告されている。以下にその原理を説明する。
図８は、従来の電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示す図であり、（Ａ）は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を示し、（Ｂ）は電流をΔｔ秒加えた後の磁壁の移動を示す。なお、磁化は細線の軸方向（ｚ方向）に一様に磁化されるとし、磁性細線の断面積をＡとする。磁性細線５０に電流密度ｊの電流を流すと、電流を担う伝導電子のスピン（大きさ１／２）は強磁性的相互作用により局在スピンＭ（大きさＳ）の向きと平行になる傾向があり、電流を担う伝導電子はスピン分極したスピン流を形成する。その分極率をｐとすると、スピン流ｊ_s （密度）は、下記（１）式で表される。
ここで、電子の電荷の単位をｅとした。

次に、図８（Ａ）に示すように、磁性体の局在スピンＭが反転し磁壁５１が形成されている場合を考える。局在スピンＭの矢印は局在スピンＭによる磁化の向きを示す。伝導電子のスピンと磁壁５１の局在スピンとの間の角運動量の保存の帰結として、単位時間当たりに磁壁５１に流入するスピン流ｊ_s は、磁壁５１の局在スピンの変化量に等しくなり、その結果、磁壁５１は、次式（２）で与えられる速度νで電子の流れと同じ方向（電流と逆方向）に動く（図８（Ｂ）参照）。
ここで、ν_c は単位胞の体積（＝ａ³ 、ａは原子間距離）である。

上記磁壁に関しては、非特許文献３には、断面積が７０×４５ｎｍ² の磁性材料であるパーロマイ（Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉) の細線において、１００μＡの電流パルスを加えることにより磁壁を駆動できることが報告されている。
J . C. Slonczewski, J. Mag. Mag. Matr. 159 ，p.L1 (1996) A. Yamaguchi et al, Phys. Rev.Lett., 92, p.077205 (2004) E. Saitoh et al, Nature 432，p.203 (2004)

しかしながら、非特許文献１で提案されている方法では、磁界を用いずに電流のみで書き込みが可能になるが、読み出しにはトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子等の別の方法を用いなければならず、書き込みと読み出しが同じ方法、つまり、電流だけで行なうことができないという課題がある。

上記課題に鑑み、本発明は、外部磁場を印加しないで、電流による書き込み及び読み出しができる、新規な磁気メモリーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、強磁性構造体の両端部に接続される第１及び第２の電極と、強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第１及び第２の磁壁保持部が形成されており、強磁性構造体は細線からなり、両端部及び中央部は幅が広く形成され、第１及び第２の磁壁保持部は、両端部及び中央部よりも幅が狭く形成され、かつ、第１及び第２の磁壁保持部と両端部との間の幅、及び、第１及び第２の磁壁保持部と中央部との間の幅、が徐々に変えられており、強磁性構造体の第１及び第２の電極から電流を流し、電流の向きにより磁壁を第１及び第２の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、強磁性構造体の第１の電極と中央電極との間に電流を流し、第２の電極と中央電極との間に流れる電流の有無により磁壁が保持されている磁壁保持部を検出して読み出しを行なうことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、読み出しの際に第２の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、第１及び第２の電極との間に電流を流して、磁壁を読み出し前の磁気保持部へ移動させる。

本発明の他の態様では、強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、強磁性構造体の両端部に接続される第１及び第２の電極と、強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第１及び第２の磁壁保持部が形成されており、強磁性構造体は積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広く形成され、第１及び第２の磁壁保持部は、両端部及び中央部よりも幅が狭く形成され、かつ、第１及び第２の磁壁保持部と両端部との間の幅、及び、第１及び第２の磁壁保持部と中央部との間の幅、が徐々に変えられており、強磁性構造体の第１及び第２の電極から電流を流し、電流の向きによって磁壁を第１及び第２の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、強磁性構造体の第１の電極と中央電極との間に電流を流し、第２の電極と中央電極との間に流れる電流の有無により磁壁が保持されている磁壁保持部を検出して読み出しを行なうことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、読み出しの際に第２の電極と中央電極との間に電流が検出された場合には、第１及び第２の電極の間に電流を流して、前記磁壁を読み出し前の磁気保持部へ移動させる。

上記構成によれば、強磁性体からなる強磁性構造体に形成される第１及び第２の磁壁保持部の何れかに、磁壁を安定に保持できる磁気メモリーを提供することができる。この磁壁の位置は、強磁性構造体の両端部に接続される電極間に流す電流で制御できる。そして、この磁壁の位置は、印加する電流の向きを変えることにより移動できる。磁壁の位置は、一端と中央との電極間に電流を流し、他端と中央の電極間に電流が流れるか否かで検知することができ、所謂読み出しも電流により判別することができる。

上記構成において、強磁性構造体の材料は、好ましくは、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金の何れかである。

上記構成において、好ましくは、メモリーセルはマトリクス状に配設されている。好ましくは、メモリーセルは基板上にマトリクス状に配設され、さらに、基板上に書き込み及び読み出し回路を備えている。この構造によれば、強磁性構造体をメモリーセルとする新規な磁気メモリーを実現することができる。

本発明によれば、電流によるだけで書き込み及び読み出しができるので、構造が簡単で小型化でき、集積化が容易で消費電力の小さい磁気メモリーを提供することができる。

本発明の磁気メモリーの構造を示す模式図である。 本発明の磁気メモリーにおける磁壁の電流による移動を説明する模式図である。 本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。 本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。 本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリーの強磁性構造体を模式的に示すもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリーの強磁性構造体を模式的に示すもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 本発明のメモリーセルを用いた磁気メモリーの構成を模式的に示す斜視図である。 従来の電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示す図で、（Ａ）は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を、（Ｂ）は電流をΔｔ秒加えた後の磁壁の移動を示す。

符号の説明

１：磁気メモリー
２：基板
３，２３，３３：強磁性構造体（メモリーセル）
３Ａ，３Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ：端部
３Ｃ，２３Ｃ：中央部
４，２４，３４：第１の磁壁保持部
５，２５，３５：第２の磁壁保持部
６，２６，４０：第１の電極
７，２７, ４１：第２の電極
８，２８，４２：中央電極
１２：磁壁
１５：書き込み用電流源
１６：読み出し用電流源
１７：電流計
３４：第１の硬質磁性層
３５：第１の軟質磁性層
３６：第２の硬質磁性層
３７：第２の軟質磁性層
３８：第３の硬質磁性層
２６Ａ，２７Ａ，２８Ａ，４４，４５，４６：電極配線

以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
図１は、本発明の磁気メモリーの構造を示す模式図である。図示するように、本発明の磁気メモリー１は、絶縁基板２上に形成される電子伝導性の強磁性構造体３、図示の場合には強磁性構造体３は細線状をなしている。この強磁性体からなる細線３は、磁気メモリー１の１ビット、即ちメモリーセルとなる。

ここで、強磁性構造体３の材料としては、パーマロイ、鉄、鉄とコバルトとからなる合金（以下、適宜に鉄−コバルト合金と呼ぶ）、鉄と白金とからなる合金（以下、適宜に鉄−白金合金と呼ぶ）、サマリウムとコバルトとからなる合金（以下、適宜にサマリウム−コバルト合金と呼ぶ）を用いることができる。

上記細線３は、厚さがｔで、長さがＬである。細線３において、その両端部３Ａ，３Ｂ及びその中央部３Ｃは、幅（Ｗ₁ ）が広く形成されている。各端部３Ａ，３Ｂと中央部３Ｃとの間には、磁壁を保持するために幅がＷ₁ よりも狭いＷ₂ である第１及び第２の磁壁保持部４，５が形成されている。そして、細線３において、その一端３Ａに接続される第１の電極６と、その他端３Ｂに接続される第２の電極７と、中央部３Ｃに接続される中央電極８とが形成されている。したがって、磁気メモリー１において、細線３の電極６〜８が接続される箇所の断面積が大きく、これらの電極の間に配設される幅の狭い磁壁保持部４，５は、断面積が小さくなっている。
なお、図示の場合には、２つの磁壁保持部４，５は、端部側及び中央部側から直線的に徐々に寸法を変えて、幅の狭い第１及び第２の磁壁保持部４，５としている。この傾斜線部は、図示の直線ではなく、曲線、直線と曲線との組み合わせなどで形成してもよい。

図２は本発明の磁気メモリーにおける磁壁の電流による移動を説明する模式図である。図２（Ａ）において、磁壁１２が第２の磁壁保持部５にあり、矢印は磁化の方向を示している。本発明の磁気メモリー１の場合には、従来例の図５で示した断面積が一定の細線ではなく、細線３には、断面積が小さくくびれた第１及び第２の磁壁保持部４，５が設けられている。この小さい断面積のくびれた第１及び第２の磁壁保持部４，５は、磁壁１２の安定な位置である。

ここで、磁性体の交換相互作用の大きさをＡ_ex（単位は、Ｊ／ｍ）、一軸磁気異方性定数をＫ_u （単位は、Ｊ／ｍ³ ）とする時、単位面積当りの磁壁の持つエネルギーσ_w （単位は、Ｊ／ｍ² ）は、下記（３）式で与えられる。
したがって、磁壁１２に蓄えられるエネルギーは（３）式の値に磁壁保持部４，５の断面積Ａ_a （Ｗ₂ ×ｔ）を乗じたものとなる。このため、磁壁１２は、断面積の小さい磁壁保持部４，５においてエネルギー的に安定となり、何れかの磁壁保持部に保持される。

次に、図２（Ｂ）の状態に示すように、第１の電極６と第２の電極７とに書き込み用電流源１５を接続して、電流Ｉを流すと、磁壁１２を、左側の第１の磁壁保持部４に移動させることができる。この状態から、電流Ｉの向きを逆転すれば、磁壁１２を、再び第２の磁壁保持部５に移動し、保持することができる（図２（Ｃ）参照）。図２（Ｂ）に示すように、第１の磁壁保持部４に磁壁１２が存在する場合を“１”、図２（Ａ）に示すように第２の磁壁保持部５に磁壁１２が存在する場合を“０”とすれば、この状態を、細線３に流す電流の向きにより制御することができる。つまり、磁壁１２の存在する場所が“１”か“０”により、２値のデジタル磁気記録、即ち書き込みを行なうことができる。
これにより、磁壁１２は、第１及び第２の磁壁保持部４，５の何れかに保持された後は、書き込みのための電流は不要で永久的に保持される。したがって、本発明の磁気メモリー１は不揮発メモリーとなる。

この場合の磁壁の移動速度は上記（２）式で表わされる。細線３の材料として強磁性体のパーマロイを用い、ｐ＝０．７、ν_c ＝１０^-29 ｍ^-3、Ｓ＝１、ｊ＝５×１０¹⁰Ａ／ｍ² とすると、磁壁１２の移動速度νは、１ｍ／ｓｅｃとなる。したがって、第１及び第２の磁壁保持部４，５の距離Ｌ₁ を０．１μｍ（１００ｎｍ）とすれば、その移動時間ｔはＬ₁ ／νから計算でき、ｔ＝１００ｎｓｅｃとなる。この磁壁１２の移動時間が書き込みに要する時間ｔ_w となる。したがって、本発明の磁気メモリー１によれば、高速に書き込みができる。

次に、本発明の磁気メモリーにおける読み出し動作について説明する。
図３及び図４は本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。図３（Ａ）に示すように磁壁１２が第２の磁壁保持部５に保持されている場合、第２の電極７と中央電極８との間に読み出し用電流源１６を接続し、電流Ｉ_r を流すことにより、磁壁１２は速度νで、中央電極８に対向する位置へ移動する。その後は、磁壁１２は、ポテンシャルＶ（ｚ₀ ）の勾配のために磁壁保持部４まで移動する（図３（Ｂ）参照）。この場合には、（２）式に従って、第１の電極６と中央電極７との間に電流が流れ、電流計１７により検出することができる。

図３（Ｂ）の状態で、読み出しはされるが、磁壁１２が、右側の第２の磁壁保持部５から他側の磁壁保持部４へ移動するので、電流計１６により検出が終了したら、再度、磁壁１２を元の第２の磁壁保持部４へ戻せばよい。即ち、磁壁１２を読み出し前の状態に戻す。この磁壁１２の第２の磁壁保持部５への移動は、第１及び第２の電極６，７に書き込み用の電流源１５を接続し、パルス電流を印加して行なうことができる（図３（Ｃ）参照）。

一方、図４に示すように、図３（Ａ）に示す場合とは逆に、磁壁１２が最初から第１の磁壁保持部４に存在していた場合には、第２の電極７と中央電極８との間に接続されている読み出し用電流源１６から電流を印加しても磁壁１２は動かない。このため、第１の電極６と中央電極８との間には電流は流れない。この状態を電流計１７により検出することができる。なお、上記読み出しは、第２の電極７と中央電極８との間に読み出し用電流源１６を接続したが、読み出し用電流源１６は、第１の電極６と中央電極８との間に接続してもよい。この場合には、第２の電極７と中央電極８との間に電流計１７を接続して、電流を検出すればよい。

上記の方法では、細線３に流す電流により磁壁１２の位置が第１の磁壁保持部４にあるか、第２の磁壁保持部５にあるかを判定することができる。これが読み出し動作である。図３（Ａ）に示すように、書き込み時間ｔ_w が１００ｎｓｅｃである場合には、読み出し電流のパルス幅ｔ_r も同程度の１００ｎｓｅｃ程度で行なうことができる。また、図４の場合には、磁壁１２が移動しないので、書き込み時間ｔ_w よりも短い、例えば１／１０程度の１０ｎｓｅｃオーダーの高速で行なうことができる。したがって、本発明の磁気メモリーにおいては、読み出しを高速に行なうことができる。

以下、本発明の磁気メモリーの第１及び第２の磁壁保持部に形成されるエネルギー障壁について説明する。
細線３において、磁壁１２が存在し得る第１及び第２の磁壁保持部４，５と中央部３Ｃとの間を隔てるエネルギー障壁ΔＥは、下記（４）式で与えられる。
ここで、Ａ_b は、中央部３Ｃ、即ち電極８が接続している幅の広い部分の断面積であり、Ａ_b ＝Ｗ₁ ×ｔである。

本発明の磁気メモリーの寸法として、細線３においてその厚さｔを５０ｎｍ、幅Ｗ₁ を２００ｎｍ、磁壁保持部４，５の幅Ｗ₂ を１００ｎｍとした場合には、幅の広い中央部３Ｃなどの断面積Ａ_b が１０^-14 ｍ² となり、磁壁保持部４，５の断面積Ａ_a が５×１０^-15 ｍ² となる。
さらに、パーマロイからなる細線３の物質パラメータとして、交換相互作用の大きさをＡ_ex＝１０^-11 Ｊ／ｍ、一軸磁気異方性定数Ｋ_u ＝１０⁵ Ｊ／ｍ³ 、スピン分極率ｐ＝０．７としたときには、上記（３）式より、磁壁１２の持つエネルギーσ_w は、σ_w ＝１０^-3Ｊ／ｍ² が得られる。
これから、磁壁１２の位置である磁壁保持部４，５間を隔てるエネルギー障壁ΔＥが、上記（４）式により、５×１０^-18 Ｊ（３１．２ｅＶ）と計算される。このエネルギー障壁ΔＥは十分に大きいので、本発明の磁気メモリー１は、通常の使用温度で安定して動作させることができる。

本発明の磁気メモリーの書き込みに要する電流について説明する。
上記計算において、磁壁１２の存在し得る第１及び第２の磁壁保持部４，５の断面積は、５０ｎｍ×１００ｎｍ（５×１０^-15 ｍ² ）である。一方、断面積が７０×４５ｎｍ² のパーロマイ（Ｎｉ₈₁Ｆｅ₁₉) の細線において、１００μＡの電流パルスを加えることにより磁壁を駆動できることが非特許文献３に示されている。したがって、本発明の磁気メモリーにおいても、非特許文献３で示された程度の電流パルスを用いることにより、十分に書き込みを行なうことができると予測できる。

本発明の磁気メモリー１においては、細線３の抵抗も小さいので、電流を流したときの電圧降下も１ｍＶ程度なので、消費電力も極めて小さくできる。

上記構成の本発明の磁気メモリー１は、基板２上に、図１で示した１ビットのメモリーセル３をＸ，Ｙマトリクスとなるように格子状に多数配列し、書き込み及び読み出し用の周辺回路を設ければ、大容量の磁気メモリーを構成することができる。

本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリーについて以下に説明する。
図５は本発明の第２の実施形態に係る磁気メモリー２０の強磁性構造体２３を模式的に示すもので、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。
図１のメモリーセルに用いる強磁性構造体が平面構造であるのに対して、図５（Ａ）に示すように、強磁性構造体２３は、紙面の下から上に積層される構造を有している。強磁性構造体２３は、積層方向（Ｙ軸方向）の厚さがＬである。磁性体構造２３において、その両端部２３Ａ，２３Ｂ及びその中央部２３Ｃは、幅（Ｗ₁ ）が広く形成されている。各端部２３Ａ，２３Ｂと中央部２３Ｃとの間には、磁壁を保持するために幅がＷ₁ よりも狭いＷ₂ である第１及び第２の磁壁保持部２４，２５が形成されている。そして、強磁性構造体２３において、その一端２３Ａに接続される第１の電極２６と、その他端２３Ｂに接続される第２の電極２７と、中央部２３Ｃに接続される中央電極２８とが形成されている。したがって、磁気メモリー２０において、強磁性構造体２３の電極２６〜８が接続される箇所の断面積が大きく、これらの電極の間に配設される幅の狭い磁壁保持部２４，２５は、断面積が小さくなっている。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す強磁性構造体をその上部の一端部２３Ａ側から見た平面図であり、第１の電極２６と第２の電極２７と中央電極２８とには、それぞれ、電極配線２６Ａ，２７Ａ，２８Ａが形成されている。これらの電極配線２６Ａ，２７Ａ，２８Ａは互いに接触しないように、複数の層間絶縁層を介して形成することができる。２つの磁壁保持部２４，２５は、図示の場合、端部側及び中央部側から直線的に徐々に寸法を変えて、幅の狭い第１及び第２の磁壁保持部２４，２５を形成している。この傾斜線部は、図に示すような直線ではなく、曲線、直線と曲線との組み合わせなどで形成してもよい。

本発明の磁気メモリー２０は、図１で示した磁気メモリー１と同様に動作させることができる。磁気メモリーに用いる強磁性構造体２３は、薄膜形成技術とエッチングなどの加工方法で形成できるので、その垂直方向（図４のＹ方向）の厚さ制御が容易である。このため、強磁性構造体２３の垂直方向の長さＬを平面構造の強磁性構造体１の場合よりも小さくすることができるので、メモリーセルの内部抵抗の減少及びメモリーセルの集積密度を上げるために有利である。

本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリーについて説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る磁気メモリー３０の強磁性構造体３３を模式的に示し、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。図６（Ａ）に示す強磁性構造体３３は、紙面の下から上に積層される構造を有しており、下から順に第１の硬質磁性層３４と第１の軟質磁性層３５と第２の硬質磁性層３６と第２の軟質磁性層３７と第３の硬質磁性層３８とが積層された５層構造を有している。強磁性構造体３３において、強磁性構造体３３の一端部となる第１の硬質磁性層３４には第１の電極４０が接続され、強磁性構造体３３の他端部となる第３の硬質磁性層３８には第２の電極４１が接続され、第２の硬質磁性層３６には中央電極４２が接続されている。強磁性構造体３３は、積層方向（Ｙ軸方向）の厚さがＬであり、その幅がＷ₁ である。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）に示す強磁性構造体をその上部の第３の硬質磁性層３８側から見た平面図であり、第１の電極４０と第２の電極４１と中央電極４２とには、それぞれ、電極配線４４，４５，４６が形成されている。これらの電極配線４４，４５，４６は互いに接触しないように、複数の層間絶縁層を介して形成することができる。

第１〜第３の硬質磁性層３４，３６，３８は、磁化の向きが変化し難い材料である硬質磁性材料からなり、鉄−白金合金などを使用することができる。この硬質磁性材料はハード磁性材料とも呼ばれる。第１及び第２の軟質磁性層３５，３７は、磁気モーメントの向きが極めて回転し易い材料である硬質磁性材料からなり、パーマロイなどを使用することができる。この軟質磁性材料はソフト磁性材料とも呼ばれる。

強磁性構造体３３においては、第１及び第２の硬質磁性層３４，３６の間に挿入される第１の軟質磁性層３５と、第２及び第３の硬質磁性層３６，３８の間に挿入される第２の軟質磁性層３５と、が磁壁を保持する安定な低エネルギー層、つまり、磁壁保持部となる。上記の硬質磁性層と軟質磁性層との間に生じさせるエネルギーの勾配は、各硬質磁性層３４，３６，３８と、各軟質磁性層３５，３７との境界において、各磁性体の混合比を徐々に変えることで形成することができる。

上記強磁性構造体３３においては、硬質磁性層の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｈａｒｄ）が軟質磁性層の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｓｏｆｔ）よりも大きいことを利用して、磁壁保持部の位置エネルギーの差を得ることができる。つまり、磁壁保持部の位置エネルギーは、式（３）に示すように単位面積当りの磁気エネルギーσ_w に断面積Ａを乗じた積、即ちσ_w ×Ａで与えられる。強磁性構造体３３においては、断面積Ａが一定であるが、硬質磁性層と軟質磁性層の磁気エネルギーが異なることで磁壁保持部の位置エネルギー差を生じさせることができる。

軟質磁性層をパーマロイとした場合の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｓｏｆｔ）は上記したように、１０^-3Ｊ／ｍ² である。硬質磁性層として鉄−白金合金の場合の単位面積当りの磁気エネルギーσ_w （ｈａｒｄ）は、８×１０^-3Ｊ／ｍ² 程度となる。ここで、物質パラメータとして、交換相互作用の大きさをＡ_ex＝１０^-11 Ｊ／ｍとし、一軸磁気異方性定数Ｋ_u ＝７×１０⁶ Ｊ／ｍ³ とした。強磁性構造体が正四角形のパターンである場合には、その幅Ｗ₁ （図５のＸ軸方向の寸法）を３２ｎｍとすると、面積は１×１０^-15 ｍ² となる。この面積におけるパーマロイ及び鉄−白金合金の磁気エネルギーは、それぞれ１×１０^-18 Ｊ，８×１０^-18 Ｊとなる。したがって、この場合の軟質磁性層と硬質磁性層との磁気エネルギー障壁ΔＥは７×１０^-18 Ｊ（４３．７ｅＶ）と計算される。この強磁性構造体３３におけるエネルギー障壁ΔＥは十分に大きいので、本発明の磁気メモリー３０は、通常の使用温度で安定して動作させることができる。

本発明の磁気メモリー３０は、上記の第１及び第２の軟質磁性層３５，３７をそれぞれ第１及び第２の磁気保持部とすることにより、図１で示した磁気メモリー１と同様に動作させることができる。強磁性構造体３０の形成においては、前記強磁性構造体２０のように積層方向の所定箇所を幅の狭いＷ₂ という領域を形成する必要がないので、垂直方向に均一の幅Ｗ₁ とすれば良いことから製作が容易となる。このため、強磁性構造体の垂直方向の長さＬも、平面構造の強磁性構造体１の場合よりも小さくすることができるので、メモリーセルの内部抵抗の減少及びメモリーセルの集積密度を上げるために有利である。

次に、本発明のメモリーセルを用いた磁気メモリーの構成について説明する。 図７は、本発明のメモリーセルを用いた磁気メモリーの構成を模式的に示す斜視図である。図７において、磁気メモリー２０，３０は、図６に示すＸ方向の電極配線４５とＹ方向の電極配線４４とが交差する各位置に、マトリクス状に強磁性構造体２３，３３を配設した構成である。これらのマトリクス状に配列された各強磁性構造体２３，３３の第１及び第２の電極層４０，４１には、図６に示すように、それぞれＹ方向の電極配線４４とＸ方向の電極配線４５とが接続され、中央電極４２には、電極配線４６が接続されている。

本発明の磁気メモリーは、以下のようにして製作することができる。
最初に、基板２上に、強磁性構造体となる強磁性体薄膜を所定の厚さで堆積する。強磁性体材料としては、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金などが使用できる。堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタ法などを用いることができる。この基板２としては、ＭｇＯ基板や、絶縁層で被覆したＳｉ基板にＭｇＯを堆積した基板を用いることができる。次に、マスク工程やエッチング工程により、強磁性体の細線３、強磁性構造体２３，３３からなる各メモリーセルのパターンを形成することで、磁気メモリー１，２０，３０を作製することができる。

書き込み及び読み出し用の周辺回路を集積回路で形成する場合には、上記の工程で製作した強磁性構造体３を含む基板２の全体をさらに絶縁膜で被覆し、強磁性構造体３の各電極６〜８だけに窓開けをした後に、各メモリーセルとビット線やワード線などの配線を行なえばよい。また、本発明の磁気メモリー１の周辺回路をＳｉのＭＯＳトランジスタで形成する場合には、最初に、Ｓｉの周辺回路を形成し、その後で、本発明の磁気メモリー１の各メモリーセル３を形成してもよい。
ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、ＣＶＤ法、蒸着法、レーザアブレーション法、ＭＢＥ法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光やＥＢ露光などを用いることができる。強磁性構造体２３，３３を用いた磁気メモリーも本発明の磁気メモリー１と同様にして製作することができる。

本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims (7)

1. 強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、
   上記強磁性構造体の両端部に接続される第１及び第２の電極と、上記強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、
   上記強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第１及び第２の磁壁保持部が形成されており、
   上記強磁性構造体は細線からなり、上記両端部及び上記中央部は幅が広く形成され、
   上記第１及び第２の磁壁保持部は、上記両端部及び上記中央部よりも幅が狭く形成され、かつ、上記第１及び第２の磁壁保持部と上記両端部との間の幅、及び、上記第１及び第２の磁壁保持部と上記中央部との間の幅、が徐々に変えられており、
   上記強磁性構造体の第１及び第２の電極から電流を流し、該電流の向きにより上記磁壁を上記第１及び第２の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、
   上記強磁性構造体の第１の電極と上記中央電極との間に電流を流し、上記第２の電極と上記中央電極との間に流れる電流の有無により上記磁壁が保持されている磁壁保持部を検出して読み出しを行なうことを特徴とする、磁気メモリー。
2. 前記読み出しの際に前記第２の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、前記第１及び第２の電極の間に電流を流して、前記磁壁を、前記読み出し前の磁気保持部へ移動させることを特徴とする、請求項１に記載の磁気メモリー。
3. 強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、
   上記強磁性構造体の両端部に接続される第１及び第２の電極と、上記強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、
   上記強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第１及び第２の磁壁保持部が形成されており、
   上記強磁性構造体は積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広く形成され、
   上記第１及び第２の磁壁保持部は、上記両端部及び上記中央部よりも幅が狭く形成され、かつ、上記第１及び第２の磁壁保持部と上記両端部との間の幅、及び、上記第１及び第２の磁壁保持部と上記中央部との間の幅、が徐々に変えられており、
   上記強磁性構造体の第１及び第２の電極から電流を流し、該電流の向きによって上記磁壁を上記第１及び第２の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、
   上記強磁性構造体の第１の電極と上記中央電極との間に電流を流し、上記第２の電極と上記中央電極との間に流れる電流の有無により上記磁壁が保持されている磁壁保持部を検出して読み出しを行なうことを特徴とする、磁気メモリー。
4. 前記読み出しの際に前記第２の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、前記第１と第２の電極との間に電流を流して、前記磁壁を、前記読み出し前の磁気保持部へ移動させることを特徴とする、請求項３に記載の磁気メモリー。
5. 前記強磁性構造体の材料が、パーマロイ、鉄、鉄−コバルト合金、鉄−白金合金、サマリウム−コバルト合金の何れかであることを特徴とする、請求項１又は３に記載の磁気メモリー。
6. 前記メモリーセルが、マトリクス状に配設されていることを特徴とする、請求項１又は３に記載の磁気メモリー。
7. 前記メモリーセルが基板上にマトリクス状に配設され、さらに、該基板上に書き込み及び読み出し回路を備えていることを特徴とする、請求項１又は３に記載の磁気メモリー。