JP5653379B2 - 磁気記憶素子、磁気メモリ及び磁気記憶装置 - Google Patents

磁気記憶素子、磁気メモリ及び磁気記憶装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、磁気記憶素子、磁気メモリ及び磁気記憶装置に関する。
メモリの大容量化を実現する方法として、磁壁を用いたスピンシフトレジスタ型のメモリが提案されている。このようなメモリの動作においては、磁性細線に複数の磁壁を有する磁壁メモリを、１ビットずつ、つまり１磁壁ずつ、順次移動させる。磁壁メモリを正確に移動するめには高度な制御が必要であり、安定した動作が困難である。
米国特許第６，８３４，００５号明細書 特表２００６−５０４２１０号公報
本発明の実施形態は、安定した動作が可能な磁気記憶素子、磁気メモリ及び磁気記憶装置を提供する。
本発明の実施形態によれば、磁性細線と、応力印加部と、記録再生部と、を含む磁気記憶素子が提供される。前記磁性細線は、磁壁により区分された複数の磁区を含む閉ループである。前記応力印加部は、前記磁壁を移動させる応力を前記磁性細線に印加して前記磁壁を前記閉ループに沿って複数回周回させる。前記記録再生部は、前記磁壁の周回に伴って前記周回している前記磁区の磁化の向きを変化させて記憶情報を書き込み、前記周回している前記磁区の前記磁化の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す。
本発明の別の実施形態によれば、磁壁により区分された複数の磁区を含む閉ループの磁性細線と、前記磁壁を移動させる応力を前記磁性細線に印加して前記磁壁を前記閉ループに沿って複数回周回させる応力印加部と、前記磁壁の周回に伴って前記周回している前記磁区の磁化の向きを変化させて記憶情報を書き込み、前記周回している前記磁区の前記磁化の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す記録再生部と、第１電極と、第２電極と、を備えた磁気記憶素子が提供される。前記磁性細線は、一端部と他端部とを有し、前記一端部と前記他端部との間で前記閉ループの一部に沿って延在する高導電磁性部と、前記閉ループの他部に沿って延在し前記一端部と前記他端部とを接続し前記応力印加部により前記応力が印加され前記高導電磁性部の導電性よりも低い導電性を有する低導電磁性部と、を含む。前記第１電極は前記一端部に電気的に接続され、前記第２電極は前記他端部に電気的に接続される。前記一端部は、前記他端部と重なる部分を有し、前記低導電磁性部は、前記重なる部分と前記他端部との間に配置される。
第１の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成及び動作を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成及び動作を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成及び動作を示す模式的斜視図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の一部を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子を示す模式的斜視図である。 第３の実施形態に係る磁気記憶装置を示す模式的斜視図である。 第３の実施形態に係る別の磁気記憶装置を示す模式的斜視図である。 第３の実施形態に係る別の磁気記憶装置を示す模式的斜視図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１に表したように、磁気記憶素子１１０は、磁性細線１０と、第１電極１１ａと、第２電極１１ｂと、応力印加部２０と、記録再生部５８と、を含む。
磁性細線１０は、複数の磁区を含む。磁区は、磁壁により区分される。磁性細線１０は、閉ループ１０ｌである。磁性細線１０の延在方向に対して垂直な面で磁性細線１０を切断したときの断面形状は、例えば四角形、円形、または、扁平円形である。断面形状は任意である。磁性細線１０は閉ループ１０ｌであり、磁性細線１０の延在方向は、磁性細線１０の局所において定義できる。磁性細線１０の局所における磁性細線１０の延在方向を細線方向ということにする。
閉ループ１０ｌは、実質的に１つの平面内に平行でも良く、閉ループ１０ｌは、捩れていても良い。例えば、閉ループ１０ｌが折れ曲がっており、閉ループ１０ｌの１つの部分と他の部分とが、互いに異なる平面内にあっても良い。
この例では、磁性細線１０は、高導電磁性部１０ｃと、低導電磁性部１０ｉと、を含む。高導電磁性部１０ｃは、一端部１０ａと、他端部１０ｂと、を有する。高導電磁性部１０ｃは、一端部１０ａと他端部１０ｂとの間で閉ループ１０ｌの一部１０ｒに沿って延在する。高導電磁性部１０ｃには、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、それらの元素を少なくともひとつは含む合金などが用いられる。高導電磁性部１０ｃの材料の例については、後述する。
第１電極１１ａは、磁性細線１０の一端部１０ａに電気的に接続される。第２電極１１ｂは、磁性細線１０の他端部１０ｂに電気的に接続される。第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂは、例えばスピン注入回路１１ｃに電気的に接続される。スピン注入回路１１ｃから供給される電流１０ｅｌは、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂを介して、ループの経路に沿って高導電磁性部１０ｃを流れる。
低導電磁性部１０ｉは、閉ループ１０ｌの他部１０ｓに沿って設けられる。低導電磁性部１０ｉは、一端部１０ａと他端部１０ｂとを接続する。低導電磁性部１０ｉは、応力印加部２０により応力が印加される。低導電磁性部１０ｉは、高導電磁性部１０ｃの導電性よりも低い導電性を有する。低導電磁性部１０ｉは、例えば、実質的に絶縁性である。低導電磁性部１０ｉには、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの元素のうち少なくともひとつを含む酸化物、窒化物、または、酸窒化物などが用いられる。低導電磁性部１０ｉの材料の例については、後述する。
低導電磁性部１０ｉは、高導電磁性部１０ｃと磁気的に結合している。これにより、磁性細線１０は、磁気閉回路を形成する。
応力印加部２０は、磁性細線１０に応力を印加して、磁性細線１０の磁壁を閉ループ１０ｌに沿って周回させる。磁壁の周回に伴って、磁区は、閉ループ１０ｌに沿って周回する。周回の回数は複数である。応力印加部２０は、例えば、低導電磁性部１０ｉに接する。応力印加部２０により印加される応力により、逆磁歪効果が生じる。つまり、応力印加によって、磁性細線中の磁化方向が変化する。この磁化方向変化を磁性細線中にそって生じさせることによって、磁壁を磁性細線中を移動させることが可能となる。これは、スピン注入電流によるものではなく、圧力印加によるものなので、磁性細線が電流が流れる高導電磁性層である必要はなくなり、低導電磁性層であっても駆動が可能となる。これにより低導電磁性部１０ｉにおいて、磁壁が移動する。
この例では、応力印加部２０は、第１駆動電極２１ｅと、第２駆動電極２２ｅと、第１圧電材料層２１ｐと、第２圧電材料層２２ｐと、を含む。第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとの間に、低導電磁性部１０ｉが配置される。この例では、第１駆動電極２１ｅは、閉ループ１０ｌの内側から閉ループ１０ｌの外側に向く方向に沿って、第２駆動電極２２ｅと対向する。
第１圧電材料層２１ｐは、第１駆動電極２１ｅと低導電磁性部１０ｉとの間に設けられる。第２圧電材料層２２ｐは、第２駆動電極２２ｅと低導電磁性部１０ｉとの間に設けられる。説明を簡単にするために、第１圧電材料層２１ｐ及び第２圧電材料層２２ｐを圧電材料層２０ｐと呼ぶ。
圧電材料層２０ｐ（第１圧電材料層２１ｐ及び第２圧電材料層２２ｐなど）には、電圧を印加したときに結晶が伸び縮みすることが可能な、圧電材料を用いる。圧電材料層２０ｐには、例えば、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ＡｌＮ、ＰＬＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)、ＫＮｂＯ３、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６・４Ｈ２Ｏ、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７などが用いられる。また、圧電材料層２０ｐには、これらの圧電材料をベースとして、特性を調整するために添加元素を印加しても良い。また、圧電材料層２０ｐは、これらの材料を含む複数の層を積層した積層構成を有しても良い。
第１駆動電極２１ｅ及び第２駆動電極２２ｅは、応力印加回路２０ｃに電気的に接続される。応力印加回路２０ｃから供給される電圧が、第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとを介して、第１圧電材料層２１ｐ及び第２圧電材料層２２ｐに印加される。これにより、第１圧電材料層２１ｐ及び第２圧電材料層２２ｐにより、低導電磁性部１０ｉに応力が印加される。これにより、低導電磁性部１０ｉ中を磁区（磁壁）は、移動できる。
磁壁は、高導電磁性部１０ｃにおける磁壁の情報を維持しつつ、低導電磁性部１０ｉ中を移動する。このように、磁性細線１０においては、磁気的閉ループ１０ｍｇが形成され、磁壁（磁区）は、磁気的閉ループ１０ｍｇに沿って磁性細線１０中を移動する。
記録再生部５８は、周回している磁区の磁化の向きを変化させて記憶情報を書き込む。記録再生部５８は、周回している磁区の磁化の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す。
この例では、記録再生部５８は、書き込み部５０と、読み出し部６０と、を含む。
書き込み部５０は、書き込み機能部５５と、第１書き込み電極５６ａと、第２書き込み電極５６ｂと、を含む。書き込み機能部５５は、磁性細線１０の一部（この例では、高導電磁性部１０ｃのうちの第１部分１０ｐ）に対向する。第１書き込み電極５６ａの一端及び第２書き込み電極５６ｂの一端は、書き込み機能部５５に接続される。第１書き込み電極５６ａの他端及び第２書き込み電極５６ｂの他端は、データ書き込み回路５０ｃに電気的に接続される。
読み出し部６０は、読み出し機能部６５と、第１読み出し電極６６ａと、第２読み出し電極６６ｂと、を含む。読み出し機能部６５は、磁性細線１０の別の一部（この例では、高導電磁性部１０ｃのうちの第２部分１０ｑ）に対向する。第１読み出し電極６６ａの一端及び第２読み出し電極６６ｂの一端は、読み出し機能部６５に接続される。第１読み出し電極６６ａの他端及び第２読み出し電極６６ｂの他端は、データ読み出し回路６０ｃに電気的に接続される。
なお、本願明細書において、電気的に接続される状態は、直接接して接続される状態、導電部材を介して接続される状態、スイッチング素子（例えばトランジスタなど）などを介して接続される状態を含む。
この例では、第１電極１１ａと応力印加部２０との間に、絶縁層１２ａが設けられる。第２電極１１ｂと応力印加部２０との間に、絶縁層１２ｂが設けられる。また、図１では図示を省略しているが、磁性細線１０及び応力印加部２０などは、絶縁層に埋め込まれている。
図２〜図４は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成及び動作を例示する模式的斜視図である。
図２〜図４に表したように、磁性細線１０は、複数の磁区１５を有する。複数の磁区１５は、磁壁１６により区画されている。１つの磁区１５の中では、磁化１７の方向は、実質的に一定である。２つの磁区１５どうしの間の領域が、磁壁１６に相当する。
図２に示した例では、磁化１７の方向は、例えば、細線方向に対して実質的に垂直である。そして、磁化１７は、閉ループ１０ｌの内側から外側に向かう方向、または、外側から内側に向かう方向である。
図３に例示した磁気記憶素子１１０ａにおいては、磁化１７の方向は、例えば、細線方向に対して実質的に垂直であり、磁化１７の方向は、閉ループ１０ｌの含まれる面に対して実質的に垂直な２つの方向（互いに逆方向）である。
図４に例示した磁気記憶装置１１０ｂにおいては、磁化１７の方向は、細線方向に対して実質的に平行である。
このように、磁化１７の方向は任意である。ただし、細線方向に対して磁化方向が垂直に向いている構成が、より望ましい。それは、磁壁移動させるためのエネルギーが下がるため、磁壁駆動のための消費電力を低減させることが可能となるためである。
例えば、磁化方向が閉ループ１０ｌが形成する平面に垂直であり、かつ、細線方向に垂直である場合には、磁性細線１０内の任意の場所において、磁化方向が同一の方向またはその逆方向のいずれかになる。このような構成によれば、スピン偏極電流の作用が細線内で一様となるため好ましい。
磁壁１６においては、磁化１７の方向は、細線方向に沿って、例えば連続的に変化する。磁壁１６は、磁性体の異方性エネルギーや交換スティフネスなどで決まる有限の幅を有する。磁気記憶素子１１０において、複数の磁区１５の磁化１７の方向を、０または１のビットデータと対応させる。例えば、１つの磁性細線１０に設けられる記憶情報の量は、１００ビット以上１，０００，０００（１Ｍ）ビット以下である。実施形態はこれに限らず、記憶情報の量は任意である。また、記憶情報は、磁性細線１０における相対的な位置情報を示す、アドレス信号情報を含むことができる。アドレス信号情報を含める実施例においては、読み書き動作の前または後に一旦保存されたデータを所定の位置に移動させる動作が必要なくなるというメリットがある。
書き込み動作において、高導電磁性部１０ｃに、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂを介して電流を流す。この電流は、例えば、連続的は電流である。すなわち、用いられる電流は、記憶部を１ビットずつ移動させるようなパルス電流（断続的な電流）ではない。この電流により磁性細線１０内にスピン偏極電子流が発生し、その作用によって、磁区１５（及び磁壁１６）は、高導電磁性部１０ｃ中を細線方向に沿って移動する。従って、磁区１５及び磁壁１６の移動方向は、電流の流れる方向の逆（電子流の流れる方向と同じ）である。本実施形態において、磁性細線１０に流す電流は、双方向に流れるようにしても良く、一方向に流れるようにしても良い。一方向に電流が流れる構成においては、シフト移動の信頼性を向上させることができる。
一方、応力印加部２０により、低導電磁性部１０ｉに応力を印加する。低導電磁性部１０ｉにおいては、応力により歪を発生させる。そこで発生された歪により、磁性細線の磁性材料における逆磁歪効果によって、歪が印加された部位の磁化が変化する。この歪印加による駆動を磁性細線に沿って行うことにより、磁壁移動を磁性細線に沿って行うことが可能となる。すなわち、低導電磁性部１０ｉ中の磁壁１６（磁区１５）は、低導電磁性部１０ｉ中を細線方向に沿って移動する。この移動方向が、高導電磁性部１０ｃにおける磁壁１６（磁区１５）の移動方向に一致するように、応力印加部２０は、低導電磁性部１０ｉに応力を印加する。これにより、高導電磁性部１０ｃと低導電磁性部１０ｉとから形成される磁気的閉ループ１０ｍｇに沿って磁壁１６（磁区１５）が周回する。この周回は、複数回であり、連続的である。
例えば、書き込み部５０は、周回している磁区１５の磁化１７の向きを、磁性細線１０の第１部分１０ｐにおいて変化させて、記憶情報を書き込む。読み出し部６０は、周回している磁区１５の磁化１７の向きを第２部分１０ｑにおいて検出し、書き込まれた記憶情報を読み出す。
磁気記憶素子１１０においては、磁壁１６（磁区１５）を連続的に周回させる。もし、記憶ビットごとに磁壁１６（磁区１５）を移動させる場合には、安定して動作させるために、非常に高度な制御が必要である。本実施形態においては、磁壁メモリを、１ビットずつ、つまり、磁壁ずつ移動させるというデバイス動作とは全く異なるデバイス動作を実施させる。実施形態においては、１ビットずつシフト動作させて読み出す動作から、全く異なる動作を行う。実施形態においては、例えば、磁壁を１ビットずつシフトレジスタ動作を行うというビット単位での高度な移動制御を必要としない。これにより、連続移動を行う単純動作のため、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。また、磁性細線１０が閉ループ状であるため、バッファ領域などが削減でき、記憶容量が増やせる。また、閉ループ１０ｌの一方向に沿って電流を流す構成においては、動作の信頼性が向上できる。
磁気記憶素子１１０における書き込み動作及び読み出し動作においては、磁性細線１０の高導電磁性部１０ｃに、磁壁１６を駆動させる電流を連続的に通電する。それと同時部に、応力印加部２０の電極に電圧を印加して、応力印加部２０により、磁性細線１０の低導電磁性部１０ｉに、磁壁１６を駆動させる応力を印加する。これより、磁壁１６が連続的に磁性細線１０を周回運動している状態が形成される。周回運動している状態において、記録再生部５８は、磁性細線１０に記憶情報を書き込み、そして、読み出す。
記録再生部５８は、例えば、複数の磁壁１６が磁気閉回路（磁性細線１０）を磁壁１６が連続的に移動している状態において、移動している磁壁１６の情報を連続的に再生する。記録再生部５８は、複数の磁壁１６が磁気閉回路を連続的に移動している状態において、移動している磁壁１６の必要な位置に、磁気的情報（記憶情報）を書き込む。
記録再生部５８は、書き込み動作と読み出し動作を行う１つの素子で形成されても良い。また、上記のように、記録再生部５８は、第１部分１０ｐにおいて書き込みを行う書き込み部５０と、第２部分１０ｑにおいて読み出しを行う読み出し部６０と、を含んでも良い。このとき、予め設計した、第１部分１０ｐと第２部分１０ｑとの位置のずれと、磁壁１６の移動の速度と、から、１つの磁区１５が、読み出し部６０で読み出されてから、記書き込み部５０の位置に到達する時間がわかる。その時間後に書き込みを行っても良い。
例えば、図２に表したように、第２部分１０ｑの閉ループ１０ｌにおける位置から、第１部分１０ｐの閉ループ１０ｌにおける位置までの、磁壁１６の移動の方向に沿った閉ループ１０ｌ上の距離をｄｒｗ（メートル）とする。磁区１５の移動の閉ループ１０ｌに沿った速度をｖ（メートル／秒）とする。書き込み部５０は、読み出し部６０が読み出し動作を実施してからｔ＝ｄｒｗ／ｖ（秒）後に書き込み動作を実施することができる。
例えば、磁性細線１０に書き込み部５０が記憶情報を書き込んだ後に、読み出し部６０でその情報を読み出して、所望の情報が書き込まれたかどうかを検出するベリファイ動作を実施することができる。ベリファイ動作において所望の記憶状態が形成されていないと判定された場合には、再度書き込み動作を行う。このとき、例えば、ベリファイのための読み出し動作の後に、上記のような所定の時間が経過した後に書き込み動作を行うことで、記憶情報の書き込みが確実に行うことが容易になる。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図５（ａ）に表したように、書き込み部５０において、第１書き込み電極５６ａと第２書き込み電極５６ｂとの間に磁性細線１０（この例では高導電磁性部１０ｃ）が、配置される。書き込み機能部５５は、例えば、第１書き込み電極５６ａと磁性細線１０との間に配置される。書き込み機能部５５は、例えば、磁化固定層５５ａと、非磁性層５５ｂと、を含む。この例では、磁化固定層５５ａと磁性細線１０との間に非磁性層５５ｂが配置される。磁化固定層５５ａの磁化は特定の方向に向いている。
書き込み動作においては、第１書き込み電極５６ａと第２書き込み電極５６ｂとの間に電流を流す。すなわち、電子流を流す。電子流の流れの向きは、電流の流れの向きに対して反対方向である。
電子流が、第１書き込み電極５６ａから第２書き込み電極５６ｂに向けて流れる場合、磁化固定層５５ａを通過した電子はスピン偏極される。スピン偏極された電子は、非磁性層５５ｂを通って磁性細線１０の第１部分１０ｐに到達する。第１部分１０ｐの磁化の方向と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、第１部分１０ｐを通過する。第１部分１０ｐの磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、第１部分１０ｐの磁化にスピントルクを作用し、第１部分１０ｐの磁化の方向が磁化固定層５５ａの磁化と同じ方向を向くように働く。これにより、第１部分１０ｐの磁化は、磁化固定層５５ａの磁化と同じ方向となる。
電子流が、第２書き込み電極５６ｂから第１書き込み電極５６ａに向けて流れる場合、第１部分１０ｐを通過した電子はスピン偏極される。スピン偏極された電子は、非磁性層５５ｂを介して磁化固定層５５ａに流れる。磁化固定層５５ａの磁化と同じ方向のスピンを有する電子は、磁化固定層５５ａを通過する。磁化固定層５５ａの磁化と逆方向のスピンを有する電子は、非磁性層５５ｂと磁化固定層５５ａとの間の界面で反射され、第１部分１０ｐに流入する。磁化固定層５５ａの磁化と逆方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、第１部分１０ｐの磁化にスピントルクを作用し、第１部分１０ｐの磁化の方向が磁化固定層５５ａの磁化と逆方向を向くように働く。これにより、第１部分１０ｐの磁化は、磁化固定層５５ａの磁化と逆方向となる。
このように、例えば、第１書き込み電極５６ａと第２書き込み電極５６ｂとの間に流れる電流（電子流）の方向により、磁性細線１０の磁区１５の磁化１７の方向を所望の方向に制御できる。
図５（ａ）に表したように、読み出し部６０において、第１読み出し電極６６ａと第２読み出し電極６６ｂとの間に磁性細線１０（この例では高導電磁性部１０ｃ）が、配置される。読み出し機能部６５は、例えば、第１読み出し電極６６ａと磁性細線１０との間に配置される。読み出し機能部６５は、例えば、磁化参照層６５ａと、非磁性層６５ｂと、を含む。この例では、磁化参照層６５ａと磁性細線１０との間に非磁性層６５ｂが配置される。磁化参照層６５ａの磁化は、特定の方向に向いている。
読み出し動作においては、第１読み出し電極６６ａと第２読み出し電極６６ｂとの間に電流を流す。例えば、電圧を印加する。磁性細線１０（この例では高導電磁性部１０ｃ）の磁区１５の磁化１７の方向と、磁化参照層６５ａの磁化の方向と、の間の相対的な角度により、第１読み出し電極６６ａと第２読み出し電極６６ｂとの間の抵抗が変化する。例えば、磁性細線１０（この例では高導電磁性部１０ｃ）の磁区１５の磁化１７の方向が、磁化参照層６５ａの磁化の方向に対して平行のときは、抵抗は低い。反平行のときは、抵抗は高い。
図５（ｂ）に表したように、書き込み部５０と、読み出し部６０と、兼用できる。すなわち、１つの素子を書き込み部５０として動作させ、または、読み出し部６０として動作させることができる。
磁性細線１０の高導電磁性部１０ｃの構成の例について説明する。なお、後述するように、磁性細線１０は、低導電磁性部１０ｉを含まず、磁性細線１０は、高導電磁性部１０ｃにより形成される場合もある。このときは、以下の高導電磁性部１０ｃに関する説明は、磁性細線１０に適用できる。
高導電磁性部１０ｃは、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む単一金属、または合金などで形成される。高導電磁性部１０ｃには、上記の群から選択された少なくとも１つの元素を含む磁性合金を用いることができる。例えば、高導電磁性部１０ｃに用いられる材料として、パーマロイ（ＮｉＦｅ合金）及びＣｏＦｅ合金などが一例として挙げられる。
高導電磁性部１０ｃには、一軸異方性定数Ｋｕが大きく、垂直磁気異方性を示す磁性材料も必要に応じて用いることができる。異方性定数Ｋｕが大きい材料を用いると、磁場や電流を与えていないときの磁壁幅が狭い。本実施形態において、高導電磁性部１０ｃとして、異方性定数Ｋｕが大きい材料を用いると、磁場を与えた場合に磁壁幅が拡大する効果が得られ易い。このような材料の例として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒよりなる群から選択される１つ以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ及びＲｈよりなる群から選択される１つ以上の元素と、を含む合金がある。一軸異方性定数の値は、高導電磁性部１０ｃに含まれる磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。
高導電磁性部１０ｃには、ｈｃｐ（hexagonal close-packed structure）構造（六方最密充填構造）の結晶構造を持ち、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることができる。例えば、高導電磁性部１０ｃとして、Ｃｏを主成分とする金属を含む材料を用いることができ、ＣｏＰｔまたはＣｏＰｔに添加元素を加えたハード磁性材料など、ｈｃｐ構造を有する他の金属を用いることもできる。また、ＦｅＰｔやＦｅＰｔに添加元素を加えたハード磁性材料なども用いることができる。
既に説明したように、高導電磁性部１０ｃ（磁性細線１０）の磁化１７の方向は、細線方向に対して、実質的に垂直でも、実質的に平行でも良い。実質的に垂直である場合には、磁壁１６を移動するのに要する電流値を低減できる。
高導電磁性部１０ｃには、Ｃｏ、ＣｏＰｔ合金、または、ＣｏＣｒＰｔ合金などを用いることができる。これらの材料においては、磁気異方性が大きく、磁気異方性の容易軸が膜面内にある。これらの材料は、ｈｃｐのｃ軸が膜面内にある金属結晶である。上記の材料に添加元素を加えた材料を用いても良い。
高導電磁性部１０ｃには、Ｃｏ層、ＣｏＰｔ層、ＦｅＰｔ層、（Ｃｏ／Ｎｉ）の積層膜、ＴｂＦｅ層などを用いることができる。なお、ＣｏＰｔは合金で良い。これらの材料においては、ｈｃｐのｃ軸が膜面垂直方向に向いている。ＴｂＦｅ層の場合、Ｔｂが２０ａｔｏｍｉｃ％以上４０ａｔｏｍｉｃ％以下である場合には、ＴｂＦｅ層は垂直異方性を示す。さらに、上記の材料に添加元素を加えた材料を用いても良い。
高導電磁性部１０ｃには、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。例えば、高導電磁性部１０ｃには、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、及び、ＤｙＦｅＣｏの少なくともいずれかを用いることができる。
高導電磁性部１０ｃは、上記の材料に、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ及びＨの少なくともいずれかの非磁性元素が添加された材料を用いることができる。これらの非磁性元素の添加により、磁気特性を調整することができる。添加により、結晶性、機械的特性または化学的特性などの各種物性を調節することができる。
磁性細線１０（高導電磁性部１０ｃ）の細線方向の長さ（閉ループ１０ｌに沿った長さ）が長いと、磁性細線１０（高導電磁性部１０ｃ）は、多くの磁区１５を含むことができる。全長が過度に長いと、磁性細線１０の全体の電気抵抗が高くなる。磁性細線１０（高導電磁性部１０ｃ）の細線方向の長さは、例えば、１００ｎｍ以上１０マイクロメートル（μｍ）以下である。
細線方向に対して垂直な平面で切断したときの磁性細線１０の断面の径（直径、または、１辺の長さ）は、例えば、２ナノメートル（ｎｍ）以上〜３００ｎｍ以下である。これにより、細線方向に垂直な断面内の磁化分布が生じ難くなる。
磁性細線１０の閉ループ１０ｌは、滑らかな曲線形状を有していることが好ましい。これにより、磁壁１６（磁区１５）が、磁性細線１０中を滑らかに移動できる。
低導電磁性部１０ｉは、例えば、磁性酸化物、磁性窒化物及び磁性酸窒化物の少なくともいずれかを含むことができる。鉄酸化物として、Ｆｅ３Ｏ４，γ―Ｆｅ２Ｏ３、α―Ｆｅ２Ｏ３、または、それらに添加元素が加えられたもの、または、それらに窒化鉄や添加元素が加えられたものなどが挙げられる。ＣｏＦｅ２Ｏ４、ＮｉＦｅ２Ｏ４、ＭｎＦｅ２Ｏ４、ＣｒＦｅ２Ｏ４なども挙げられる。磁性酸化物としては、スピネル結晶構造をもつものがキュリー温度が高いものが多いので、実用的に用いやすい。また、これらは、添加元素を変えることによって、磁歪定数も変えることができるので、用いやすい。
低導電磁性部１０ｉは、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む酸化物、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む窒化物、並びに、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む酸窒化物の少なくともいずれかを含むことができる。例えば、低導電磁性部１０ｉは、高導電磁性部１０ｃに用いられる材料の酸化物、窒化物及び酸窒化物の少なくともいずれかを含むことができる。これにより、磁性細線中に電流が流れないようにした絶縁物材料を用いながら、磁歪が大きい磁性材料を実現できるので、圧力印加によって磁壁を移動させることがより容易になる。
低導電磁性部１０ｉの磁歪定数（λｓ）の絶対値は、１０−５以上であることが好ましい。これにより、応力印加部２０よって印加される応力により、低導電磁性部１０ｉに歪が効率的に生じ、低導電磁性部１０ｉにおける磁区１５が効率的に移動できる。磁歪定数（λｓ）は、外部磁界を印加して強磁性層をある方向に飽和磁化させたときの形状変化の大きさを示す。外部磁界がない状態で長さＬであるときに、外部磁界が印加されたときにΔＬだけ変化したとすると、磁歪定数λｓは、ΔＬ／Ｌで表される。この変化量は外部磁界の大きさによって変わるが、磁歪定数λｓは、十分な外部磁界が印加され、磁化が飽和された状態のΔＬ／Ｌとしてあらわす。低導電磁性部１０ｉの磁歪定数の絶対値は、１０−２以下が好ましい。この値は、磁歪効果を生じる材料として知られている値の上限である。
図６は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図６に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１１１においては、応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅは、磁性細線１０が延在する平面に対して垂直な方向に沿って、第２駆動電極２２ｅと対向する。これ以外は、磁気記憶素子１１０と同様であるので説明を省略する。
図７は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図７に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１１２においては、磁性細線１０の閉ループ１０ｌは、角が丸い矩形状の形状を有する。そして、高導電磁性部１０ｃは、第１方向に沿って延在する部分を有する第１辺部ｓ１と、第１方向に沿って延在する部分を有する第１辺部ｓ１と離間する第２辺部ｓ２と、第１辺部ｓ１の一端と第２辺部ｓ２の一端とに接続され、第１方向に対して垂直な第２方向に延在する部分を有する第３辺部ｓ３と、を有している。第１辺部ｓ１と第３辺部ｓ３との連結部分の形状は曲線状であり、第２辺部ｓ２と第３辺部ｓ３との連結部分の形状は曲線状である。高導電磁性部１０ｃは、例えばＵ字状の形状を有する。
低導電磁性部１０ｉは、第１辺部ｓ１の他端（一端部１０ａに相当する）と、第２辺部ｓ２の他端（他端部１０ｂに相当する）と、に接続されている。低導電磁性部１０ｉは、例えば、第２方向に延在する部分を有している。
第１電極１１ａは、第１辺部ｓ１の他端（一端部１０ａに相当する）に接続されている。第２電極１１ｂは、第２辺部ｓ２の他端（他端部１０ｂに相当する）に接続されている。
この例では、応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅは、磁性細線１０が延在する平面（第１方向と第２方向とを含む平面）に対して垂直な方向（第３方向）に沿って、第２駆動電極２２ｅと対向する。これ以外は、磁気記憶素子１１０と同様であるので説明を省略する。
磁気記憶素子１１１及び１１２によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子が提供できる。
図８は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図８に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１１３においては、磁性細線１０の高導電磁性部１０ｃの一端部１０ａは、他端部１０ｂと重なる部分を有している。一端部１０ａは、一端部１０ａを通り閉ループ１０ｌの内側から閉ループ１０ｌの外側に向く方向Ａ１に対して垂直な平面に投影したときに、他端部１０ｂと重なる部分を有している。そして、低導電磁性部１０ｉは、一端部１０ａのうちの上記の重なる部分と、他端部１０ｂとの間に配置される。
この例では、磁性細線１０の閉ループ１０ｌの一部の経路ｌ１は、低導電磁性部１０ｉの膜面に対して垂直方向に沿う。
この例では、応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅは、磁性細線１０の閉ループ１０ｌの上記の一部の経路ｌ１に対して垂直な方向に沿って、第２駆動電極２２ｅと対向する。これ以外は、磁気記憶素子１１０と同様であるので説明を省略する。
磁気記憶素子１１３においては、低導電磁性部１０ｉと高導電磁性部１０ｃとにおける磁気的結合が、低導電磁性部１０ｉの膜面と高導電磁性部１０ｃの膜面との間において行われる。膜面においては、磁壁１６（磁区１５）の良好な状態において、磁気的結合が行われる。これにより、低導電磁性部１０ｉと高導電磁性部１０ｃとの間において、磁壁１６（磁区１５）の移動がよりスムーズになる。磁気記憶素子１１３によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子が提供できる。
この例において、例えば、磁性細線１０の一端部１０ａの厚さを他端部１０ｂの厚さよりも薄くすることができる。これにより、低導電磁性部１０ｉを介した磁化方向の転写に非対称性が形成され、他端部１０ｂから一端部１０ａへの一方向の転写を実現することができる。また、この場合、磁性細線１０中の電流駆動磁壁移動に関しては、一端部１０ａから他端部１０ｂに向かう方向に移動するように電流の向きを設定することにより、閉ループ１０ｌ内の磁壁移動方向は一方向に決まる。
図９は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図９に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１１４においては、第１電極１１ａは、一端部１０ａを通り閉ループ１０ｌの内側から閉ループ１０ｌの外側に向く方向Ａ１に対して垂直な平面に投影したときに、第２電極１１ｂと重ならない。
例えば、高導電磁性部１０ｃにおいて、磁性変質層を設ける。例えば、一端部１０ａは、他端部１０ｂよりも小さい飽和磁化Ｍｓ、及び、他端部１０ｂよりも小さい一軸異方性定数Ｋｕの少なくともいずれかを有するようにする。一端部１０ａと他端部１０ｂとにおいて、飽和磁化Ｍｓ及び一軸異方性定数Ｋｕの少なくともいずれかに関しての非対称性を設ける。磁性変質層は、例えば、イオン注入または拡散などにより形成できる。
他端部１０ｂにおける磁化方向が、強磁性結合、または、反強磁性結合により、一端部１０ａに転写される。一端部１０ａの磁化情報は、上記の非対称性により、他端部１０ｂに転写されにくい。例えば、第１電極１１ａから電流流を注入し、第２電極１１ｂから電子流を流れ出させる。電子流を流したときに、上記の磁気結合により、一端部１０ａの磁化１７の方向が電子流によって効率的に反転し、磁化１７の方向は、磁性細線１０中を転送される。磁気記憶素子１１４においては、より安定した動作が可能になる。
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第１の実施形態に係る磁気記憶素子の一部の構成を例示する模式的斜視図である。
これらの図は、応力印加部２０の構成の例を示している。
図１０（ａ）に表したように、１つの例の応力印加部２０においては、第１圧電材料層２１ｐの厚さは、低導電磁性部１０ｉと第１圧電材料層２１ｐとの界面に対して垂直な平面内において、変化する。第１圧電材料層２１ｐにおいて、生じる応力が変化する。この構成により、磁壁１６の移動に方向性を付与し易くなる。この例では、第２圧電材料層２２ｐの厚さは、低導電磁性部１０ｉと第２圧電材料層２２ｐとの界面に対して垂直な平面内において、変化する。これにより、磁壁１６の移動に方向性をさらに付与し易くなる。
図１０（ｂ）に表したように、１つの例の応力印加部２０においては、第１駆動電極２１ｅは、第１圧電材料層２１ｐの一部に接する。すなわち、第１圧電材料層２１ｐは、第１駆動電極２１ｅと接する部分と、接していない部分と、を有する。例えば、第１圧電材料層２１ｐの一部に外部電圧を印加して応力を発生させ、その他の部分においては、発生する弾性波を利用する。この構成により、磁壁１６の移動に方向性を付与し易くなる。この例では、第２駆動電極２２ｅは、第２圧電材料層２２ｐの一部に接する。これにより、磁壁１６の移動に方向性をさらに付与し易くなる。
図１０（ｃ）に表したように、１つの例の応力印加部２０においては、第１駆動電極２１ｅは、複数の要素電極２５ａ〜２５ｃを有する。複数の第１駆動電極２１ｅが設けられると見なしても良い。複数の要素電極２５ａ〜２５ｃに電圧を印加するタイミングをシフトさせる。この構成により、磁壁１６の移動に方向性を付与し易くなる。この例では、第２駆動電極２２ｅは、複数の要素電極２６ａ〜２６ｃを有する。複数の第２駆動電極２２ｅが設けられると見なしても良い。これにより、磁壁１６の移動に方向性をさらに付与し易くなる。
図１１は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１１に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１５においては、基板５が設けられる。そして、複数の磁性細線１０と、複数の第１電極１１ａと、複数の第２電極１１ｂと、複数の応力印加部２０と、複数の記録再生部５８と、が、基板５の上に設けられている。複数の磁性細線１０を設けることで、記憶容量が増大する。この構成においては、外部圧力を印加するために、複数の磁性細線に対して一対の電極が設けられる。つまり、図１１に例示した構成は、図１、図２、図６、図７、図８及び図９に例示したような１つの閉回路の磁性細線に対して一対の圧力印加電極が設けられる構成と比べて、この電極には大きな面積を必要としない。このため、メモリとしての密度を上げやすくなる。このように、複数磁性細線のブロックごとに一斉に圧力印加を加える機構は、メモリ密度を向上させるという観点で有効な構成である。
図１２は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１２に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１６においては、複数の磁性細線１０と、複数の第１電極１１ａと、複数の第２電極１１ｂと、複数の記録再生部５８と、が、基板５の上に設けられている。この例では、１つの応力印加部２０が設けられる。１つの応力印加部２０が、複数の磁性細線１０（この例では、低導電磁性部１０ｉ）に応力を印加する。
この例も、図１１に例示した構成と同様に、複数の磁性細線に対して一対の電極が設けられる構成なので、メモリ密度を向上させやすい。
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）は、第１の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１３（ａ）〜図１３（ｃ）に表したように、実施形態に係る磁気記憶素子１１６ａ〜１１６ｃにおいては、複数の磁性細線１０と、複数の第１電極１１ａと、複数の第２電極１１ｂと、複数の記録再生部５８と、が、基板５の上に設けられている。１つの応力印加部２０が、複数の磁性細線１０（この例では、低導電磁性部１０ｉ）に応力を印加する。
この例も、図１１及び図１２と同様に、複数の磁性細線に対して一対の電極が設けられる構成を形成しているので、メモリ密度を向上させやすい。磁気記憶素子１１６ａ〜１１６ｃにおいても、圧電材料に対して、磁壁移動のために方向性をもたせて、電圧を印加できる。例えば、図１３（ｃ）に示した例おいて、平行に配置された複数の電極（第１駆動電極ｅ１）に対して、交互に異なる電圧を与えることができる。このような場合であっても、磁性細線のそれぞれに一対の電極を設ける場合と比較すると、複数磁性細線の全体に対する電極の数が減少できるので、メモリ密度が上げやすくなる。
磁気記憶素子１１６ａにおいては、応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅの数は、１つである。磁気記憶素子１１６ｂ及び１１６ｃにおいては、応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅの数は、３つである。第１駆動電極２１ｅは、複数設けることができる。磁気記憶素子１１６ｂにおいては、複数の第１駆動電極２１ｅのそれぞれは、複数の磁性細線１０の延在方向を含む平面に沿って延在する。磁気記憶素子１１６ｃにおいては、複数の第１駆動電極２１ｅのそれぞれは、複数の磁性細線１０の延在方向を含む平面に対して直交する方向に沿って延在する。
磁気記憶素子１１５、１１６、及び、１１６ａ〜１１６ｃによっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子が提供できる。
（第２の実施形態）
図１４は、第２の実施形態に係る磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。 図１４に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１２０は、磁性細線１０と、応力印加部２０と、記録再生部５８と、を含む。この例では、磁性細線１０には、低導電磁性部１０ｉは設けられない。磁性細線１０は、高導電磁性部１０ｃにより形成される。磁性細線１０は、閉ループ１０ｌである。
応力印加部２０により応力が印加されると、磁性細線１０おける磁化に逆磁歪効果が生じ、これにより磁性細線１０（高導電磁性部１０ｃ）における磁化方向が変化する。この磁化方向変化を生じさせる応力印加が磁性細線１０に沿って行われることで、磁壁が磁性細線１０に沿って移動させることが可能となる。
応力印加部２０は、第１駆動電極２１ｅと、第１圧電材料層２１ｐと、を含む。第１駆動電極２１ｅは、磁性細線１０に沿って設けられる。第１圧電材料層２１ｐは、第１駆動電極２１ｅと磁性細線１０との間に設けられる。例えば、第１圧電材料層２１ｐは、閉ループ１０ｌの全体に沿って磁性細線１０に接する。これ以外の構成は磁気記憶素子１１０と同様なので説明を省略する。
この例では、第１駆動電極２１ｅと磁性細線１０（高導電磁性部１０ｃ）とは、応力印加回路２０ｃに電気的に接続される。第１駆動電極２１ｅと磁性細線１０との間に電圧を印加して、第１圧電材料層２１ｐに電圧を印加する。第１圧電材料層２１ｐにより応力が磁性細線１０に印加される。これにより、磁性細線１０の磁壁１６が磁性細線１０の閉ループ１０ｌに沿って磁性細線１０中を移動して、周回する。
この場合も、記録再生部５８は、磁壁１６の周回に伴って周回している磁区１５の磁化１７の向きを変化させて記憶情報を書き込み、周回している磁区１５の磁化１７の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す。
本実施形態によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。
本実施形態においては、例えば、磁性細線１０には電流を通電しない。磁性細線１０に印加する応力により、磁壁１６を移動させる。磁壁１６の移動に電流を用いず、応力印加部２０に供給する電圧を用いる。これにより、消費電力を低くすることができる。また、構成が簡単であり、記憶密度を増大し易い。
磁気記憶素子１２０における磁性細線１０（高導電磁性部１０ｃ）、応力印加部２０及び記録再生部５８には、第１の実施形態に関して説明した構成を適用できる。
図１５は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１５に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１２１においては、応力印加部２０は、第２駆動電極２２ｅと、第２圧電材料層２２ｐと、をさらに含む。第２駆動電極２２ｅは、磁性細線１０に沿って設けられる。第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとの間に磁性細線１０が配置される。第２圧電材料層２２ｐは、第２駆動電極２２ｅと磁性細線１０との間に設けられる。この場合には、第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとが、応力印加回路２０ｃに電気的に接続される。第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとの間に電圧を印加して、第１圧電材料層２１ｐ及び第２圧電材料層２２ｐに電圧を印加する。第１圧電材料層２１ｐ及び第２圧電材料層２２ｐにより、磁性細線１０に応力を印加する。これにより、磁性細線１０の磁壁１６が磁性細線１０の閉ループ１０ｌに沿って磁性細線１０中を移動して、周回する。この例において、磁性細線１０を応力印加回路２０ｃにさらに接続し、所望の電圧を第１圧電材料層２１ｐと第２圧電材料層２２ｐとに独立して印加しても良い。
磁気記憶素子１２１によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。
図１６は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１６に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１２２においては、基板５が設けられる。複数の磁性細線１０と複数の記録再生部５８（図１６では省略）とが、基板５の上に設けられる。この例では、１つの応力印加部２０が設けられる。応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとの間に、複数の磁性細線１０が配置される。複数の磁性細線１０どうしの間に、圧電材料層２０ｐが配置される。応力印加部２０は、複数の磁性細線１０に応力を印加する。
磁気記憶素子１２１によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。複数の磁性細線１０を設けることで、記憶容量が増大する。
図１７は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１７に表したように、本実施形態に係る別の磁気記憶素子１２３は、磁性細線１０と、応力印加部２０と、記録再生部５８と、を含む。この例では、磁性細線１０には、高導電磁性部１０ｃは設けられない。磁性細線１０は、低導電磁性部１０ｉにより形成される。磁性細線１０は、閉ループ１０ｌである。
この場合も、応力印加部２０により応力が印加されると、磁性細線１０における磁化に逆磁歪効果が生じ、これにより磁性細線１０（低導電磁性部１０ｉ）における磁化方向が変化する。この磁化方向変化を生じさせる応力印加が磁性細線１０に沿って行われることで、磁壁が磁性細線１０に沿って移動させることが可能となる。
この場合も、記録再生部５８は、磁壁１６の周回に伴って周回している磁区１５の磁化１７の向きを変化させて記憶情報を書き込み、周回している磁区１５の磁化１７の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す。
本実施形態によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。
本実施形態においては、例えば、磁性細線１０には電流を通電しない。磁性細線１０に印加する応力により、磁壁１６を移動させる。磁壁１６の移動に電流を用いず、応力印加部２０に供給する電圧を用いる。これにより、消費電力を低くすることができる。また、構成が簡単であり、記憶密度を増大し易い。
図１８は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１８に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１２４においても、磁性細線１０は、低導電磁性部１０ｉにより形成される。応力印加部２０は、第２駆動電極２２ｅと、第２圧電材料層２２ｐと、をさらに含む。第２駆動電極２２ｅは、磁性細線１０に沿って設けられる。第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとの間に磁性細線１０が配置される。第２圧電材料層２２ｐは、第２駆動電極２２ｅと磁性細線１０との間に設けられる。
磁気記憶素子１２４によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。
図１９は、第２の実施形態に係る別の磁気記憶素子の構成を例示する模式的斜視図である。
図１９に表したように、本実施形態に係る磁気記憶素子１２５においても、磁性細線１０は、低導電磁性部１０ｉにより形成される。これ例においても、基板５が設けられる。複数の磁性細線１０と複数の記録再生部５８（図１９では省略）とが、基板５の上に設けられる。この例では、１つの応力印加部２０が設けられる。応力印加部２０の第１駆動電極２１ｅと第２駆動電極２２ｅとの間に、複数の磁性細線１０が配置される。複数の磁性細線１０どうしの間に、圧電材料層２０ｐが配置される。応力印加部２０は、複数の磁性細線１０に応力を印加する。
磁気記憶素子１２５によっても、安定した動作が可能な磁気記憶素子を提供できる。複数の磁性細線１０を設けることで、記憶容量が増大する。
（第３の実施形態）
図２０は、第３の実施形態に係る磁気記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図２０に表したように、本実施形態に係る磁気記憶装置２８０は、複数の磁気記憶素子を含む。この例では、磁気記憶素子として、第１の実施形態に関して説明した磁気記憶素子１１０が用いられている。実施形態はこれに限らず、第１及び第２実施形態に関して説明し任意の磁気記憶素子及びその変形を用いることができる。
磁気記憶装置２８０によれば、安定した動作が可能な磁気記憶装置を提供できる。
図２１は、第３の実施形態に係る別の磁気記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図２１に表したように、本実施形態に係る磁気メモリ２８５において、図２０に関して説明した磁気記憶装置２８０を複数含む。磁気記憶装置２８０は、１ブロックとなる。複数の磁気記憶装置２８０は、列方向または行方向に沿って並ぶ。ブロックの下層に、図示しないトランジスタが配置される。
図２２は、第３の実施形態に係る別の磁気記憶装置の構成を例示する模式的斜視図である。
図２２に表したように、磁気メモリ２８５は、メモリセルアレイ３００を含む。メモリセルアレイ３００は、マトリクス状に配列された複数のメモリセルを有する。メモリセルは、例えば、磁気記憶素子１１０とスイッチング素子３２０と、を含む。メモリセルは、第１及び第２実施形態に係る任意の磁気記憶素子及びその変形を含む。
メモリセルアレイ３００には、各行に設けられたワード線ＷＬ１〜ＷＬｍと、各列に設けられた情報読み出し用ビット線ＢＬ１〜ＢＬｎと、が設けられている。
ワード線ＷＬ１〜ＷＬｍは、各配線を選択するデコーダ及び書き込み回路等を有する駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂに接続されている。また、ビット線ＢＬ１〜ＢＬｎは、各配線を選択するデコーダ及び読み出し回路等を備えて駆動回路４２０Ａ、４２０Ｂに接続されている。
図２２においては、磁気記憶素子１１０の記録再生部５８を省略して、図示していない。記録再生部５８の一端は、例えば、図示しない書き込み選択用のスイッチング素子に接続される。記録再生部５８の他端は、図示しない電流源に接続される。
複数のメモリセルに対して１個の記録再生部５８を設けてもよい。この場合は、集積度を高めることができる。また、各メモリセルに１個の記録再生部５８を設けた場合は、データの転送速度を高めることができる。
実施形態によれば、安定した動作が可能な磁気記憶素子、磁気メモリ及び磁気記憶装置が提供できる。
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれは良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁気記憶素子、磁気記憶装置及び磁気メモリに含まれる磁性細線、高導電磁性部、低導電磁性部、応力印加部、駆動電極、圧電材料層、記録再生部、書き込み部及び読み出し部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した磁気記憶素子、磁気記憶装置及び磁気メモリを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての磁気記憶素子、磁気記憶装置及び磁気メモリも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
５…基板、 １０…磁性細線、 １０ａ…一端部、 １０ｂ…他端部、 １０ｃ…高導電磁性部、 １０ｅｌ…電流、 １０ｉ…低導電磁性部、 １０ｌ…閉ループ、 １０ｍｇ…磁気的閉ループ、 １０ｐ…第１部分、 １０ｑ…第２部分、 １０ｒ…一部、 １０ｓ…他部、 １１ａ…第１電極、 １１ｂ…第２部分、 １１ｃ…スピン注入回路、 １２ａ、１２ｂ…絶縁層、 １５…磁区、 １６…磁壁、 １７…磁化、 ２０…応力印加部、 ２０ｃ…応力印加回路、 ２０ｐ…圧電材料層、 ２１ｅ…第１駆動電極、 ２１ｐ…第１圧電材料層、 ２２ｅ…第２駆動電極、 ２２ｐ…第２圧電材料層、 ２５ａ〜２５ｃ…要素電極、 ２６ａ〜２６ｃ…要素電極、 ５０…書き込み回路、 ５０ｃ…データ書き込み回路、 ５５…書き込み機能部、 ５５ａ…磁化固定層、 ５５ｂ…非磁性層、 ５６ａ…第１書き込み電極、 ５６ｂ…第２書き込み電極、 ５８…記録再生部、 ６０…読み出し回路、 ６０ｃ…データ読み出し回路、 ６５…読み出し機能部、 ６５ａ…磁化参照層、 ６５ｂ…非磁性層、 ６６ａ…第１読み出し電極、 ６６ｂ…第２読み出し電極、 １１０〜１１６、１１６ａ〜１１６ｃ、１２０〜１２５…磁気記憶素子、 ２８０…磁気記憶装置、 ２８５…磁気メモリ、 ３００…メモリセルアレイ、 ３２０…スイッチング素子、 ４１０Ａ、４２０Ａ…駆動回路、 Ａ１…方向、 ＢＬ１〜ＢＬｎ…ビット線、 ＷＬ１〜ＷＬｍ…ワード線、 ｄｒｗ…距離、 ｌ１…経路、 ｓ１〜ｓ３…第１〜第３辺部

Claims (21)

  1. 磁壁により区分された複数の磁区を含む閉ループの磁性細線と、
    前記磁壁を移動させる応力を前記磁性細線に印加して前記磁壁を前記閉ループに沿って複数回周回させる応力印加部と、
    前記磁壁の周回に伴って前記周回している前記磁区の磁化の向きを変化させて記憶情報を書き込み、前記周回している前記磁区の前記磁化の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す記録再生部と、
    を備えた磁気記憶素子。
  2. 第１電極と、
    第２電極と、
    をさらに備え、
    前記磁性細線は、
    一端部と他端部とを有し、前記一端部と前記他端部との間で前記閉ループの一部に沿って延在する高導電磁性部と、
    前記閉ループの他部に沿って延在し前記一端部と前記他端部とを接続し前記応力印加部により前記応力が印加され前記高導電磁性部の導電性よりも低い導電性を有する低導電磁性部と、
    を含み、
    前記第１電極は前記一端部に電気的に接続され、
    前記第２電極は前記他端部に電気的に接続される請求項１記載の磁気記憶素子。
  3. 前記低導電磁性部は、前記高導電磁性部と磁気的に結合している請求項２記載の磁気記憶素子。
  4. 前記低導電磁性部は、磁性酸化物、磁性窒化物及び磁性酸窒化物の少なくともいずれかを含む請求項２または３に記載の磁気記憶素子。
  5. 前記低導電磁性部は、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む酸化物、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む窒化物、並びに、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれかを含む酸窒化物の少なくともいずれかを含む請求項２〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  6. 前記低導電磁性部の磁歪定数の絶対値は、１０−５以上１０−２以下である請求項２〜５のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  7. 前記応力印加部は、前記低導電磁性部に接する請求項２〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  8. 前記応力印加部は、
    第１駆動電極と、
    前記第１駆動電極と前記低導電磁性部との間に設けられた第１圧電材料層と、
    を含む請求項２〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  9. 前記応力印加部は、
    第２駆動電極であって、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に前記低導電磁性部が配置される第２駆動電極と、
    前記第２駆動電極と前記低導電磁性部との間に設けられた第２圧電材料層と、
    をさらに含む請求項８記載の磁気記憶素子。
  10. 前記第１圧電材料層の厚さは、前記低導電磁性部と前記第２圧電材料層との界面に対して垂直な平面内において変化する請求項９記載の磁気記憶素子。
  11. 前記応力印加部は、
    前記磁性細線に沿って設けられた第１駆動電極と、
    前記第１駆動電極と前記磁性細線との間に設けられた第１圧電材料層と、
    を含む請求項１記載の磁気記憶素子。
  12. 前記応力印加部は、
    前記磁性細線に沿って設けられた第２駆動電極であって、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に前記磁性細線が配置される第２駆動電極と、
    前記第２駆動電極と前記磁性細線との間に設けられた第２圧電材料層と、
    をさらに含む請求項１１記載の磁気記憶素子。
  13. 前記第１駆動電極は、前記第１圧電材料層の一部に接する請求項８〜１２のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  14. 前記磁性細線は、第１部分と第２部分とを有し、
    前記記録再生部は、
    前記周回している前記磁区の磁化の向きを前記第１部分において変化させて記憶情報を書き込む書き込み部と、
    前記周回している前記磁区の前記磁化の向きを前記第２部分において検出し書き込まれた記憶情報を読み出す読み出し部と、
    を含む請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  15. 前記第２部分の前記閉ループにおける位置から、前記第１部分の前記閉ループにおける位置までの、前記磁壁の移動の方向に沿った前記閉ループ上の距離は、ｄｒｗ（メートル）であり、
    前記磁区の前記移動の前記閉ループに沿った速度は、ｖ（メートル／秒）であり、
    前記書き込み部は、前記読み出し部が前記読み出し動作を実施してからｄｒｗ／ｖ（秒）後に書き込み動作を実施する請求項１４記載の磁気記憶素子。
  16. 複数の前記磁性細線が設けられ、
    応力印加部は、前記複数の磁性細線に前記応力を印加する請求項１〜１５のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  17. 前記応力印加部は、ＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ＡｌＮ、ＰＬＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)、ＫＮｂＯ３、ＺｎＯ、ＳｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、ＫＮａＣ４Ｈ４Ｏ６・４Ｈ２Ｏ、及び、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７の少なくともいずれかを含む請求項１〜１６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
  18. 磁壁により区分された複数の磁区を含む閉ループの磁性細線と、
    前記磁壁を移動させる応力を前記磁性細線に印加して前記磁壁を前記閉ループに沿って複数回周回させる応力印加部と、
    前記磁壁の周回に伴って前記周回している前記磁区の磁化の向きを変化させて記憶情報を書き込み、前記周回している前記磁区の前記磁化の向きを検出し書き込まれた記憶情報を読み出す記録再生部と、
    第１電極と、
    第２電極と、
    を備え、
    前記磁性細線は、
    一端部と他端部とを有し、前記一端部と前記他端部との間で前記閉ループの一部に沿って延在する高導電磁性部と、
    前記閉ループの他部に沿って延在し前記一端部と前記他端部とを接続し前記応力印加部により前記応力が印加され前記高導電磁性部の導電性よりも低い導電性を有する低導電磁性部と、
    を含み、
    前記第１電極は前記一端部に電気的に接続され、
    前記第２電極は前記他端部に電気的に接続され、
    前記一端部は、前記他端部と重なる部分を有し、
    前記低導電磁性部は、前記重なる部分と前記他端部との間に配置される磁気記憶素子。
  19. 前記第１電極は、前記第２電極と重ならない請求項１８記載の磁気記憶素子。
  20. 請求項１〜１９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子を複数備えた磁気記憶装置。
  21. 請求項２０記載の磁気記憶装置を複数備えた磁気メモリ。
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