JP5727908B2 - 磁気メモリ素子 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、磁気メモリ素子に関する。
磁性細線中の磁区構造を使って情報を記録する装置の提案がなされている。近年、磁壁の位置を電流によって変えられることが実験的に明らかにされ、磁性細線を用いた磁気メモリ素子の実現が期待されている。磁壁とは、磁化方向の異なる磁区の境界を示す。
しかしながら、磁性細線中の磁壁は、構成材料の均一性や形状が理想的な状態である場合は、外部から磁場などよって容易に移動する。したがって、磁性細線を磁気メモリ素子として用いるためには磁壁を意図した場所に固定する手段が必要となる。一方、磁壁を強く固定しすぎると、磁壁を動かすために大きな電流が必要となり、動作可能な磁気メモリ素子が設計できないケースもある。
そこで本発明の実施形態は、磁壁制御が容易な磁気メモリ素子を提供することを目的とする。
一実施形態に係る磁気メモリ素子は、第１方向に延在し、磁壁により隔てられた複数の磁区を有する磁性細線と、前記磁性細線に対して前記第１の方向又は前記第１の方向と逆方向に通電可能な一対の第１の電極と、前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記磁性細線上に設けられた第１の絶縁層と、前記第２の方向であって前記第１の絶縁層上に離間して設けられた複数の第２の電極と、複数の前記第２の電極と電気的に接続された第３の電極と、を備える。
以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）
（第１の実施形態）
図１は磁気メモリ素子１００を示す図である。図１の上図は、磁気メモリ素子１００のＡ−Ａ’断面図を示す。図１の下図は、磁気メモリ素子１００の上面図を示す。
磁気メモリ素子１００は、一方向に延在する磁性細線２０と、磁性細線２０が延在する方向に設けられた一対の第１の電極３０と、磁性細線２０上に設けられた第１の絶縁層４０と、第１の絶縁層４０上に離間して設けられた複数の第２の電極５０と、複数の第２の電極５０と電気的に接続された第３の電極６０とを備える。磁性細線２０は基板１０上に設けられている。磁性細線２０が延在する方向において、複数の第２の電極５０は互いに第２の絶縁層７０で絶縁されている。なお、磁性細線２０と基板１０上の間に、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔａ等を積層した多層膜を設けても良い。
図１に示すように、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸はそれぞれ直交している。図１の上図は磁気メモリ素子１００をｙ軸方向から眺めた図である。図１の下図は、磁気メモリ素子１００をｚ軸方向から眺めた図である。
磁性細線２０は、導電性材料から構成される。磁性細線２０は、強磁性体、フェリ磁性体、又は人工格子である。
強磁性体として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を磁性細線２０の構成材料として用いることができる。強磁性体として、例えばＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔ等も用いることができる。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。
フェリ磁性体として、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏ等の希土類と遷移金属のアモルファス合金を磁性細線２０の構成材料として用いることができる。これらの材料は、スパッタ装置で薄膜として作製条件を選んで堆積すると磁化がｚ軸方向（積層方向）に向きやすくなる傾向があり、磁性細線２０の磁化方向をｚ軸方向に向けたい場合に用いることができる。
人工格子として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、又はＣｏ／Ｎｉの積層構造を磁性細線２０の構成材料として用いることができる。これらの積層構造を用いることで、磁性細線２０の磁化方向をｚ軸方向に向けることが出来る。これらの積層構造は、最密六方構造の＜０００１＞配向、又は面心立方構造の＜１１１＞配向を有しやすい。
第１の絶縁層４０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物等から構成される。具体的には、第１の絶縁層４０には、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いることができる。また、第１の絶縁層４０の比誘電率は、第２の絶縁層７０の比誘電率よりも大きいことが好ましい。これは、第２の電極５０に電圧を印加した際に磁性細線２０と第２の電極５０との間に電荷が分布しやすくなるためである。たとえば第１の絶縁層４０をＭｇＯで構成し、第２の絶縁層７０をＳｉＯ２で構成することで比誘電率の差をつけることができる。酸化物、フッ化物、窒化物は軽元素を含むほど小さい比誘電率を示す傾向がある。
第２の絶縁層７０に、第１の絶縁層４０と同様の材料を適用することができる。ｚ軸方向において、第２の絶縁層７０の厚さは第１の絶縁層４０の厚さよりも厚いことが好ましい。これは、第２の電極５０から磁性細線２０に電圧を印加したときに、第２の電極５０と磁性細線２０との間に電荷が選択的に分布しやすくなるからである。第２の絶縁層７０は、空隙であってもよい。
第１の電極３０、第２の電極５０、第３の電極６０は、導電性材料によって構成される。導電性材料としては、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも一つの元素を、第１の電極３０、第２の電極５０、第３の電極の構成材料として用いることができる。また、これらの元素を組み合わせた合金によって第２の電極５０、第３の電極６０構成してもよい。第２の電極５０と第３の電極６０は一体として形成されてもよい。第３の電極６０は、すべての第２の電極５０が等電位になることを可能にする。
なお、以下の説明に用いられる図面では、第１の電極３０は省略する。
次に、磁気メモリ素子１００の動作原理について説明する。
まず、磁気メモリ素子１００の書込み動作について説明する。
図２は、磁気メモリ素子１００に情報を書き込むための構成を示す図である。なお、磁気メモリ素子１００には検出部も備わっているがここでは検出部の説明は省略する。
第３の電極６０及び磁性細線２０には、電圧信号発生部８０が接続されている。磁性細線２０には、電流発生部９０が接続されている。ｚ軸方向において第１の絶縁層４０上に電極６５が設けられている。電極６５には、電流発生部９５が接続されている。
電圧信号発生部８０は、第２の電極５０と磁性細線２０との間に電圧を印加する。
電流発生部９０は、磁性細線２０に電流を流すことで磁性細線２０の磁壁を移動させる。ここで、磁区とは、その内部において磁化方向が一様な領域のことを指す。隣接する２つの磁区の境界において、磁化方向は細線方向に連続的に変化する。このような磁化の変化領域は磁壁と呼ばれる。
電流発生部９５を用いて電極６５に電流を流すことで発生する磁場を、磁性細線２０に作用させて磁性細線２０の磁化の一部を反転させる。磁壁は磁化が反転されることで磁性細線２０中に形成される。
他にも、図３に示すように、電極６５の代わりに電極６５の周辺を図３（Ａ）、（Ｂ）に示すような入力部１１０、１２０にしてもよい。
図３は、磁性細線２０に接続されている入力部１１０、１２０を示す図である。図３（Ａ）は入力部１１０を示す。図３（Ｂ）は入力部１２０を示す。入力部１１０、１２０は動作原理が同じであるが、構成が異なる。
入力部１１０は、磁性細線２０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、反強磁性層５３、電極５４とを備える。また、磁性細線２０の入力部１１０が設けられた側とは反対側には、電極７２が設けられている。磁性細線２０と電極７２との間に非磁性層等を介しても良い。
スペーサー層７１は、トンネル絶縁膜材料又は非磁性金属材料を用いることができる。
トンネル絶縁膜材料として、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。
非磁性金属材料として、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせた合金でもよい。
電極７２の材料は、電極５４の材料と同様である。
入力部１１０を用いて、磁性細線２０に磁化を書き込む方法について説明する。
電極５４から電流を電極７２に向けて流すことで、強磁性層５２の磁化を磁性細線２０に書き込む。また、入力部１１０は、入力部１２０のような構成にもできる。この場合、入力部１１０は、磁性細線２０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、中間層６１、強磁性層６２、電極５４を備える。
次に、磁気メモリ素子１００の動作原理について説明する。
はじめに、磁性細線２０中の磁区の操作について説明する。
図４は、第２の電極５０と磁性細線２０との間に電圧を印加した場合に生じる磁性細線２０の磁気エネルギーのｘ軸方向磁壁位置依存性を示す。図４には磁性細線２０の２つのパターンの磁気エネルギー状態図が示されている。一つ目の図は、第２の電極５０の電位の方が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧を印加した（＋Ｖａｄｄ）ときの図である。すなわち、第２の電極５０が正の電荷を帯びて、磁性細線２０が負の電荷を帯びている。二つ目の図は、第２の電極５０の電位の方が磁性細線２０の電位よりも低くなるように電圧を印加（−Ｖａｄｄ）したときの図である。すなわち、第２の電極５０が負の電荷を帯びて、磁性細線２０が正の電荷を帯びている。
電圧を印加しない状態（平衡状態）では、磁性細線２０のｙ−ｚ平面の断面形状により決まる磁化方向に依存した静磁エネルギーと、第１の絶縁層４０と磁性細線２０との界面の電子状態の結果として生じる磁気エネルギーを合計したエネルギーが最小となるように、磁性細線２０中に形成される磁化は、磁性細線２０の延在方向に垂直な方向に向いている。
電圧信号発生部８０を用いて、第２の電極５０が正の電荷を帯び、磁性細線２０が負の電荷を帯びるように電圧を印加する（一つ目の状態図に相当）。すると、第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分は、磁性細線２０の他の部分よりも高い磁壁に対する磁気エネルギーを有する。従って、磁性細線２０に電流を流して磁壁を移動させようとするとき、第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分から磁性細線２０の他の部分に向かって磁壁は容易に移動する。しかしながら、逆の場合には磁壁は移動しない。すなわち、第２の電極５０の直下に位置しない磁性細線２０の部分から第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分に向かって磁壁は移動しない。これは、第２の電極５０と磁性細線２０との間に電圧を印加することで、磁性細線２０中の磁壁の移動を抑制するポテンシャル障壁が生じる。なお、ポテンシャル障壁を越えるような大きな電流を流せば磁壁は移動するが、磁壁の移動を制御することが難しくなる。
さらに、電圧信号発生部８０を用いて、第２の電極５０が負の電荷を帯び、磁性細線２０が正の電荷を帯びるように電圧を印加する（二つ目の状態図に相当）。すると、第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分は、磁性細線２０の他の部分よりも低い磁壁に対する磁気エネルギーを有する。従って、磁性細線２０に電流を流して磁壁を移動させるようするとき、第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分から磁性細線２０の他の部分に向かって磁壁は移動しない。逆に、第２の電極５０の直下に位置しない磁性細線２０の部分から第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分に向かって磁壁は容易に移動する。
磁気メモリ素子１００は、このように磁性細線２０のある部分に対して、磁気エネルギーの高低を繰り返すように第２の電極５０と磁性細線２０との間に電圧を印加する。この磁気エネルギーの高低を利用して、磁壁の移動を制御する。
図５は、図４を用いて説明した磁壁に対する磁気エネルギーの高低を利用してどのように磁性細線２０中の磁壁を移動させるかを説明するための図である。それぞれの図は、磁性細線２０中の磁壁に対する磁気エネルギーのプロファイルと磁壁の位置を示している。図５の上図は、初期状態の磁性細線２０中の磁壁の様子を示す。下の図に行くに連れて時間が進んでいる。上から、初期状態、第２の状態、第３の状態、第４の状態とする。例として、図５では第２の電極５０が６つある場合を示している。
初期状態では、磁壁は１番目の第２の電極５０と２番目の第２の電極５０との間に存在する。さらに、第２の電極５０の電位が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧が印加する（＋Ｖａｄｄ）。このとき、第２の電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分は、磁性細線２０の他の部分よりも高い磁壁に対する磁気エネルギーを有する。このため、磁壁を移動させるには平衡状態時に磁壁を移動させるのに必要な電流Ｉｃ０（Ｉｃ０＞０）よりも大きな電流Ｉｃ１（Ｉｃ０＜Ｉｃ１）を流す必要がある。つまり、この状態で電流Ｉｃ０と電流Ｉｃ１との間の大きさの電流Ｉｃ（Ｉｃ０＜Ｉｃ＜Ｉｃ１）を磁性細線２０に流しても、磁壁は２番目の第２の電極５０の手前にまでしか移動しない。
しかしながら、電流Ｉｃを磁性細線２０に流した状態で、第２の電極５０の電位が磁性細線２０の電位よりも低くなるように電圧を印加する（−Ｖａｄｄ）。すると、磁気エネルギーのプロファイルが平坦になった状態を経て、ポテンシャル障壁が電極幅Ｗ（Ｗ＞０）だけ移動する。よって、磁性細線２０中の磁壁は２番目の第２の電極５０の紙面左端まで移動する。そして、磁性細線２０中の磁壁は、ポテンシャル障壁によって止まる（第２の状態）。
次に、第２の電極５０の電位が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧が印加する（＋Ｖａｄｄ）。すると、磁気エネルギーのプロファイルが平坦になった状態を経て、ポテンシャル障壁が電極幅Ｗ（Ｗ＞０）だけ移動する。よって、磁性細線２０中の磁壁は２番目の第２の電極５０と３番目の第２の電極５０との間で止まる（第３の状態）。
このように、電圧印加の操作を繰り返すことで、外部信号と同期させて磁壁を移動させることができる。
次に、磁気メモリ素子１００の書込み動作について説明する。書込み動作は、磁壁移動の動作と磁化反転動作を組み合わせて行う。
図６Ａから図６Ｈは、磁気メモリ素子１００の書込み動作を説明するための図である。図６Ａから順を書込み動作について説明する。磁性細線２０中の磁区が紙面下向き（ｚ軸方向下向き）の磁化方向を示している部分をデータ‘０’とする。磁性細線２０の磁区が、紙面上向き（ｚ軸方向上向き）の磁化方向を示している部分をデータ‘１’とする。図６Ａから図６Ｈでは、第２の電極５０説明のため６つとしている。このような場合、磁気メモリ素子１００は６ビットの情報を記録することができる。なお、第２の電極５０の個数は６つには限られない。図６Ａから図６Ｈにおいて、紙面右側の第２の電極５０から順に、１番目、２番目・・・６番目とする。
初期状態では、磁性細線２０の磁化は全て紙面下向きになっている（図６Ａ）。すなわち、磁気メモリ素子１００にはデータ‘０’が記録されている。
最初に、磁性細線２０中の磁壁が紙面右側から紙面左端まで一気に移動しないようにするために、第２の電極５０の電位が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧（＋Ｖａｄｄ）を印加する。そして、電極６５に電流を流し、電極６５から誘導磁界を発生させる。この誘導磁界で１番目の第２の電極５０の右側の磁性細線２０に紙面上向きの磁化の磁区を導入する。紙面上向きの磁区は、紙面左側へ広がっていく。しかしながら、電圧（＋Ｖａｄｄ）によるポテンシャル障壁が紙面上向きの磁区の広がりは止められる（図６Ｂ）。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。すると、磁性細線２０中の磁壁は、２番目の第２の電極５０の手前まで移動する。その結果、１番目の第２の電極５０の直下の磁性細線２０の部分の磁化は紙面上向きとなる（図６Ｃ）。このとき、例えば、磁性細線２０中の磁壁の移動速度よりも電位の切り替えを速くすれば、より正確に磁性細線２０中の磁壁を制御できる。他にも、磁性細線２０と第２の電極５０との電圧が０Ｖになるときに、電流Ｉｃを止めてもより正確に磁性細線２０中の磁壁を制御できる。
以下の説明でも第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる動作に対して、磁性細線２０中の磁壁の移動速度よりも電位の切り替えを速くする動作、又は磁性細線２０と第２の電極５０との電圧が０Ｖになるときに電流Ｉｃを止める動作を加えて適用できる。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。すると、磁性細線２０中の磁壁は、３番目の第２の電極５０の手前まで移動する（図６Ｄ）。ここまでで、磁気メモリ素子１００に記録されているデータは‘００００１１’となる。
次に、電極６５に図６Ｂで説明した電流の向きとは逆向きに電流を流し、電極６５から誘導磁界を発生させる。この誘導磁界で、１番目の第２の電極５０の右側の磁性細線２０に紙面下向きの磁化の磁区を導入する（図６Ｅ）。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。さらに、図６Ｂで説明した電流の向きと同一方向に電流を流し、電極６５から誘導磁界を発生させる。この誘導磁界で、１番目の第２の電極５０の右側の磁性細線２０に紙面上向きの磁化の磁区を導入する（図６Ｆ）。ここまでで、磁気メモリ素子１００に記録されているはデータ‘０００１１０’となる。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる（図６Ｇ）。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる（図６Ｈ）。ここまでで、磁気メモリ素子１００に記録されているデータは、‘０１１０１１’となる。
次に、磁気メモリ素子１００の読み出し動作について説明する。
図７は、磁気メモリ素子１００の情報を読み出すための構成を示す図である。
磁気メモリ素子１００は、磁性細線２０上に磁化情報を検出する検出部１２３をさらに備える。
検出部１２３の構成は、例えば磁性細線２０上に設けられたトンネル絶縁膜１２１と、トンネル絶縁膜１２１上に設けられた紙面下向きに磁化が向いている強磁性層１２２とを備える。磁化情報の検出は、強磁性層１２２から基板１０に向かって電流を流す。このときに生じる磁気抵抗による電圧降下の値（Ｖｏｕｔ）から磁性細線２０に書き込まれた磁化情報を読み出す。
図８Ａから図８Ｆを用いて、磁気メモリ素子１００の読み込み動作を具体的に説明する。図８Ｆは、検出部１２３で読み出される出力電圧と読み出し動作の回数（サイクル）の関係を示す。１〜６サイクルは、それぞれ図８Ａ〜図８Ｅの説明に対応している。
初期状態では、磁気メモリ素子１００に‘０１１０１１’の情報が書き込まれているとする（図８Ａ）。第２の電極５０の電位が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧（＋Ｖａｄｄ）を印加する。そして、磁性細線２０に電流Ｉｃを流す。この時点では、磁性細線２０中の磁壁は移動しない。検出部１２３で読み出される電圧はＶｌｏｗとなり、データ‘０’が書き込まれていることがわかる。なお、図８Ａには、３つの磁壁が示されている。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。すると、磁性細線２０中の磁壁は、磁性細線２０の延在方向における第２の電極５０の幅だけ紙面左側に移動する。このとき、５番目と６番目の第２の電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁はなくなる。４番目と５番目の第２の電極５０の直下の磁性細線２０中に書き込まれた紙面上向きの磁化は、左側にポテンシャル障壁が無い。このため、磁性細線２０中に流された電流Ｉｃにより検出部１２３の直下の磁性細線２０中の磁化は紙面下向きから紙面上向きに変化する。その結果、検出部１２３のトンネル磁気結合の抵抗値は高くなる。よって、検出部１２３で読み出される電圧はＶｈｉｇｈ（Ｖｈｉｇｈ＞Ｖｌｏｗ）となり、データ‘１’が書き込まれていることがわかる（図８Ｂ）。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。すると、３番目と４番目の第２の電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁、及び４番目と５番目の第２の電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁は、磁性細線２０の延在方向における第２の電極５０の幅だけ、それぞれ紙面左側に移動する（図８Ｃ）。このとき、検出部１２３で読み出される電圧はＶｈｉｇｈのままである。
次に、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。すると、４番目と５番目の第２の電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁、及び５番目と６番目の第２の電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁は、磁性細線２０の延在方向における第２の電極５０の幅だけ、それぞれ紙面左側に移動する（図８Ｄ）。このとき、５番目と６番目の第２の電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁は紙面左側に移動してしまう。このとき、５番目の第２の電極５０の直下の磁性細線２０中に書き込まれた紙面下向きの磁化は、左側にポテンシャル障壁が無い。このため、磁性細線２０中に流された電流Ｉｃにより検出部１２３の直下の磁性細線２０中の磁化は紙面上向きから紙面下向きに変化する。検出部１２３で読み出される電圧はＶｌｏｗとなり、データ‘０’が書き込まれていることがわかる。
さらに、磁性細線２０に電流Ｉｃを流しながら、第２の電極５０の電位を低（−Ｖａｄｄ）、高（＋Ｖａｄｄ）と変化させる。すると、磁性細線２０中には紙面上向きの磁化だけが残る（図８Ｅ）。
このように、電圧印加の操作と電流によるスピントルク印加によって、磁気メモリ素子１００は１ビットずつ読み出すことができる。よって、磁気メモリ素子１００は、正確に記録されたデータを読み出すことができる。
また、図９に示すように、検出部１２３から紙面左側において、磁性細線１２０をさらに延在させてバッファ記録部１３０を設けても良い。バッファ記録部１３０を設ければ、読み出し操作において磁気メモリ素子１００のデータの破壊を防ぐことが出来る。
次に、磁気メモリ素子１００の製造方法の一例について図１０から図１５を用いて説明する。図１０から図１５の下図は、磁性細線２０の延在方向から眺めたときの断面図を示す。
図１０に示すように、磁気メモリ素子１００は、絶縁体に囲まれている。ただし、第３の電極６０は絶縁体から露出している。なお、必要に応じて磁気メモリ素子１００を加工し、電圧信号発生部８０、検出部１２３等を接続してもよい。
まず、Ｓｉ基板上に形成された熱酸化シリコン膜（基板１０）の上にＴａ、Ｒｕ、Ｔａの順で超高真空スパッタ装置を用いて多層膜を堆積する。その後、磁性細線２０になる磁性層、第１の絶縁層４０、第２の電極５０となる金属層を順に堆積する（図１１）。金属層にはＣｕを用いる。多層膜は磁性層の磁気的・電気的特性が基板１０表面の状態や堆積過程の不確定要素などに影響を及ぼさないようにするために設けられる。
次に、金属層上にネガレジストを塗布する。電子線描画露光装置を用いてネガレジストの一部を露光・現像することでマスクパターンを形成する。形成されたマスクパターンを用いて、金属層から磁性層までをイオンミリング装置でミリングする。マスクパターンは剥離液により除去する（図１２）。ここまでで、図１２の下図に示すように、磁性細線２０が形成される。
次に、金属層上にポジレジストを塗布する。電子線描画装置を用いてポジレジストの一部を露光・現像することでマスクパターンを形成する。形成されたマスクパターンを用いて、金属層をイオンミリング装置でミリングする。このとき、イオンミリング装置に備え付けてある質量分析器を用いて、ミリングの深さを調整する。マスクパターンは剥離液により除去する（図１３）。ここまでで、図１３に示すように、第１の絶縁層４０上に第２の電極５０が形成される。
次に、超高真空スパッタ装置の中で、基板１０上、第２の電極５０上、及び第１の絶縁層４０上に絶縁体となる酸化シリコンを堆積する。余分な酸化シリコンは化学機械研磨（ＣＭＰ）による研磨される。研磨は、第２の電極５０の上面が露出するまで行う（図１４）。
最後に、超高真空スパッタ装置の中で、第３の電極６０となるＣｕを第２の電極５０上及び絶縁体上に堆積する。その後、ネガレジストＣｕの上に塗布する。電子線描画装置を用いて、ネガレジストの一部を露光・現像することでマスクパターンを形成する。形成されたマスクパターンを用いて、Ｃｕをイオンミリング装置でミリングする。マスクパターンは剥離液により除去する（図１５）。ここまでで、磁気メモリ素子１００が作製される。
（第１の変形例）
（第１の変形例）
図１６は、磁気メモリ素子１００の変形例を示す図である。磁気メモリ素子２００は、磁性細線２０と基板１０との間に、第４の絶縁層２１０、第３の絶縁層２２０、第４の電極２３０、第５の電極２４０がさらに設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。
第４の絶縁層２１０は、磁性細線２０の第１の絶縁層４０が設けられた側とは反対側に設けられている。第４の絶縁層２１０は、第１の絶縁層４０と同様の材料を用いることができる。
第３の絶縁層２２０は、第４の絶縁層２１０の磁性細線２０が設けられた側とは反対側に設けられ、第２の電極５０と対向する関係にある。第３の絶縁層２２０には、第２の絶縁層７０と同様の材料を用いることができる。
第４の電極２３０は、第４の絶縁層２１０の磁性細線２０が設けられた側とは反対側に設けられ、第２の絶縁層７０と対向する関係にある。第５の電極２４０は、磁性細線２０が延在する方向において、第４の電極２３０を電気的に接続している。第４の電極２３０、第５の電極２４０には、第１の電極３０、第２の電極５０、第３の電極６０と同様の材料を用いることができる。第４の電極２３０と第５の電極２４０は一体として形成されていてもよい。
磁気メモリ素子２００の動作原理は、第２の電極５０の電位と第４の電極２３０の電位が異なるように電圧が印加する点が磁気メモリ素子１００と異なる。すなわち、第２の電極５０の電位が負であれば、第４の電極２３０の電位は正である。このようにすることで、より大きなポテンシャル障壁を磁性細線２０中に形成することができるので、より正確に磁性細線２０中の磁壁を制御することができる。
（第２の変形例）
（第２の変形例）
図１７は、磁気メモリ素子１００の変形例を示す図である。磁気メモリ素子３００は第１の絶縁層４０が第２の電極５０と磁性細線２０との間にのみ設けられている点が磁気メモリ素子１００と異なる。
したがって、磁気メモリ素子３００では、第２の絶縁層５０は第１の絶縁層４４０と直接接している。たとえば第１の絶縁層４０にＭｇＯ（酸化マグネシウム）、第２の絶縁層７０にＳｉＯｘ（酸化ケイ素、０＜ｘ≦２）を用いる。これらの材料は、磁性細線２０に異なる強さの界面誘起磁気異方性を与える。よって、電圧を印加していない平衡状態においても、磁性細線２０中に磁気エネルギーの空間分布が生じる。このため、これらの材料を用いれば、熱や外部磁場などの外乱で磁壁が動いてしまうのを防ぐことができる。
なお、磁気メモリ素子１００、２００、３００は磁性細線２０の延在方向が紙面に対して上方向を向いていてもよい（縦積み積層構造）。
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。
１０…基板、２０…磁性細線、３０…第１の電極、４０…第１の絶縁層、５０…第２の電極、６０…第３の電極、７０…第２の絶縁層、８０…電圧信号発生部、９０…電流発生部、１００…磁気メモリ素子
Claims (9)
- 第１方向に延在し、磁壁により隔てられた複数の磁区を有する磁性細線と、
前記磁性細線に対して前記第１の方向又は前記第１の方向と逆方向に通電可能な一対の第１の電極と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記磁性細線上に設けられた第１の絶縁層と、
前記第２の方向であって前記第１の絶縁層上に離間して設けられた複数の第２の電極と、
複数の前記第２の電極と電気的に接続された第３の電極と、
前記第１の方向において、複数の前記第２の電極を互いに絶縁する第２の絶縁層を備え、
前記第１の絶縁層の比誘電率は、前記第２の絶縁層の比誘電率よりも大きい磁気メモリ素子。 - 前記第２の電極と前記第３の電極は一体となっている請求項１に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１の方向における前記第２の電極の厚さは、前記磁壁の厚さよりも厚い請求項２に記載の磁気メモリ素子。
- 前記磁性細線の前記第１の絶縁層が設けられた側とは反対側に設けられた第３の絶縁層と、
前記第３の絶縁層の前記磁性細線が設けられた側とは反対側であり、かつ複数の前記第２の絶縁層と対向するように設けられた複数の第４の電極と、
複数の前記第４の電極と電気的に接続された第５の電極と、
を更に備える請求項２に記載の磁気メモリ素子。 - 前記第１の方向において、複数の前記第４の電極を互いに絶縁する第４の絶縁層を更に備える請求項４に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第３の絶縁層の比誘電率は、前記第４の絶縁層の比誘電率よりも大きい請求項５に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第４の電極と前記第５の電極は一体となっている請求項６に記載の磁気メモリ素子。
- 前記第１の方向における前記第４の電極の厚さは、前記磁壁の厚さよりも厚い請求項７に記載の磁気メモリ素子。
- 第１方向に延在し、磁壁により隔てられた複数の磁区を有する磁性細線と、
前記磁性細線に対して前記第１の方向又は前記第１の方向と逆方向に通電可能な一対の第１の電極と、
前記第１の方向に直交する第２の方向において、前記磁性細線上に離間して設けられた複数の第１の絶縁層と、
前記第２の方向であって前記複数の第１の絶縁層上に設けられた複数の第２の電極と、
前記複数の第２の電極と電気的に接続された第３の電極と、
前記第１の方向において、複数の前記第２の電極を互いに絶縁する第２の絶縁層を備え、
前記第１の絶縁層の比誘電率は、前記第２の絶縁層の比誘電率よりも大きい磁気メモリ素子。
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