JP6093146B2 - 磁性細線を有する磁気メモリおよびその書き込み方法 - Google Patents

磁性細線を有する磁気メモリおよびその書き込み方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、磁性細線を有する磁気メモリおよびその書き込み方法に関する。
近年、サブミクロン幅の磁性細線において、磁壁の電流駆動を観察したという報告がある。この効果を活用して磁壁シフトが可能な磁気メモリが提案されている。これらの提案では、磁化が複数の磁区に分割された磁性配線を用い、磁化の向きにより「０」または「１」の情報を保存させる。また、電流を流すことで磁気情報（データ）が移動し、固定されたセンサで読み出すことができる。このような磁気メモリでは、セルの高密度化等による磁気メモリの大容量化とともに、消費電力低減への要求が高まりつつある。
これらの磁壁移動型メモリにおいて、ビットの書き込みにスピントルクによる磁化反転を用いると、電流磁界による書き込みに比べて低消費電力の駆動が可能になるほか、近接した磁性細線への誤書き込みを防ぎ、書き込み箇所の規定が容易となる。
しかし、スピントルク書き込みは、依然として書き込み電流が高い。
米国特許第６，８３４，００５号明細書 米国特許第６，８９８，１３２号明細書 米国特許第７，４７７，５３９号明細書
A.Yamaguchi et al., Phys Rev.Lett92, 077205(2004)
本実施形態は、スピントルク書き込み時の書き込み電流を低減することのできる、磁性細線を有する磁気メモリおよびその書き込み方法を提供する。
本実施形態の磁気メモリは、磁性細線と、前記磁性細線の異なる位置に接して設けられた第１および第２電極と、前記第１および第２電極との間の前記磁性細線の位置に設けられ磁性層を含む第３電極と、前記磁性細線と前記第３電極との間に設けられ前記磁性細線に接するとともに前記第３電極に接する中間層と、前記磁性細線に対し前記第３電極に対向するように、前記磁性細線上に設けられた非磁性体の第４電極と、前記磁性細線と前記第４電極との間に設けられ前記磁性細線に接するとともに前記第４電極に接する絶縁層と、を備えている。
第１実施形態による磁気メモリを示す断面図。 第１実施形態の一変形例による磁気メモリを示す断面図。 図３（ａ）乃至３（ｄ）は、書き込み方法を説明する図。 図４（ａ）、４（ｂ）は、書き込み部の位置関係を説明する図。 書き込み部の位置関係を説明する図。 図６（ａ）乃至６（ｃ）は、くびれを有する磁性細線を説明する図。 書き込み動作の第１例を示す波形図。 書き込み動作の第２例を示す波形図。 書き込み動作の第３例を示す波形図。 第１実施形態の第１変形例による磁気メモリを示す断面図。 第１実施形態の第２変形例による磁気メモリを示す断面図。 読み出しの第２の方法を説明する図。 図１３（ａ）乃至１３（ｃ）は、読み出し部の例を説明する図。 図１４（ａ）、１４（ｂ）は、第２実施形態の製造方法によって製造される磁気メモリを示す図。 第２実施形態の製造方法によって製造される磁気メモリの平面図。 図１６（ａ）乃至１６（ｃ）は、第２実施形態の製造方法の製造工程を示す断面図。 図１７（ａ）、１７（ｂ）は、第２実施形態の製造方法の製造工程を示す断面図。 第３実施形態による磁気メモリを示す平面図。 図１９（ａ）、１９（ｂ）は、第３実施形態の磁気メモリの効果を説明する図。 第１実施形態および第３実施形態の磁気メモリの効果を説明する図。
以下、図面を参照して実施形態について詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態による磁気メモリを図１に示す。図１は、第１実施形態の磁気メモリの断面図である。図１に示すように、本実施形態の磁気メモリは、集積回路（図示せず）が搭載された基板１００の上方に設けられた記憶素子として機能する磁性細線(Magnetic nanowire)４と、中間層２ａおよび磁性電極層２ｂを有する電極２と、電極８と、電極１０ａ、１０ｂとを備えている。
電極２は、磁性細線４の第１の面上に設けられ、この第１の面と磁性電極層２ｂと間に中間層２ａが設けられる。基板１００と磁性細線４との間には層間絶縁膜３が設けられている。電極８は、磁性細線４の上記第１の面に対向する第２の面上に絶縁層６を介して、電極２と対向する位置に設けられ、例えば非磁性金属から形成される。電極１０ａ、１０ｂはそれぞれ磁性細線４の第１の面または第２の面上にビア９ａ、９ｂを介して設けられる。なお、電極２および電極８は、電極１０ａ、１０ｂ間に位置する。電極８および電極１０ａ、１０ｂの間には、層間絶縁膜１２が設けられている。
磁性電極層２ａと電極８の、磁性細線４が延在する方向の寸法は、電極８が絶縁層６に接する面における磁性細線が延在する方向での電極８の幅ＷＮＭＥが、磁性電極層２ｂが中間層２ａに接する面における磁性細線４が延在する方向での磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥ以上である。さらに幅ＷＮＭＥは、４００ｎｍ未満であることが望ましい。本明細書では、磁性細線４の延在する方向とは、磁性細線４の局所的な部分における磁性細線４が延在している方向を意味する。
磁性細線４は直線でも、図２に示すように曲線でもよい。なお、図２においては、電極２は、中間層２ａと反対側の磁性電極２ｂの面に非磁性の電極２ｃを備えているが、この電極２ｃは図１においては基板１００内に設けられており、図１では図示していない。磁性細線４の外形形状は後述するように周期的なくびれを有してもよい。磁性細線４の第１の面は、磁性細線４が延在する方向に直交する磁性細線４の断面における長辺方向と、磁性細線４が延在する方向とによって決定される表面であることが望ましい。例えば、磁性細線４の断面が長方形であり、磁性細線４の幅に対して磁性細線の厚さが薄い場合には、磁性細線４の上面および下面が第１および第２の面となり、磁性細線４の幅に対して磁性細線４の厚さが厚い場合には、磁性細線４の２つの側面が第１および第２の面となる。なお、図１および図２では第１の面は磁性細線４より下に、第２の面は磁性細線４より上にあるが、その上下関係が逆でも同じ効果が得られる。
磁性細線４の断面は例えば長方形状、正方形状、楕円形状、円形状である。磁性細線４の幅は概ね５ｎｍから数１００ｎｍであり、厚みは数ｎｍから１００ｎｍであることが望ましい。図１および図２においては磁性細線４の厚さ（図面上では、上面と下面との間の距離）は一定であるが、それらが周期的に変化してもよい。また、後述する図６（ａ）、６（ｂ）に示すように幅が周期的に変化してもよい。あるいは周期的にノッチが形成されていてもよい。
磁性細線４には複数の磁区および、それらを仕切る複数の磁壁が導入され、磁区の磁気モーメントの向きをデータの“１”、“０”に対応させることで情報を記録する。磁性細線４の磁化は、磁性細線４が延在する方向に直交した方向に磁化容易軸をもつ。
磁性細線４には、希土類―遷移金属アモルファス合金、多層膜、遷移金属とＰｔまたはＰｄとの規則合金などの垂直磁化膜を用いることができる。希土類―遷移金属アモルファス合金は希土類遷移金属と３ｄ遷移金属との合金からなるフェリ磁性体で、例えば、Ｔｂ（テルビウム）、Ｄｙ（ジスプロシウム）、Ｇｄ（ガドリニウム）の何れか一種類以上からなる元素と、遷移金属のうちの１種類以上からなる元素で構成される。具体例として、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＤｙＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ等がある。多層膜としては、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜などを用いることができる。規則合金としては、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１種類以上の元素と、Ｐｔ、Ｐｄの何れか一種類以上の元素とからなる合金が適しており、例えば合金の結晶構造がＬ１０型の規則合金として、Ｃｏ５０Ｐｄ５０、Ｃｏ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｔ５０、Ｆｅ５０Ｐｄ５０、Ｆｅ３０Ｎｉ２０Ｐｄ５０、Ｃｏ３０Ｆｅ１０Ｎｉ１０Ｐｔ５０、Ｃｏ３０Ｎｉ２０Ｐｔ５０等があげられる。これらの規則合金は上記組成比に限定されない。これらの規則合金に、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｇ等の不純物元素を添加し加えて磁気異方性エネルギーや飽和磁化を調整することができる。容易に大きな磁気異方性エネルギーを得ることができる。
さらに、磁性細線４として、異方性が大きな材料を用いることで、後述する図３（ｂ）に示すように、磁性細線４の幅方向に磁化容易軸を設けることができる。例えば、Ｃｏ結晶のｃ軸を磁性細線４の幅方向に揃えることで、磁化を磁性細線４の延在方向に直交した細線の幅方向に向けることができる。
なお、磁性細線４としては、上述の材料を少なくとも１層含み、例えばＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅＢや、ＧｄＦｅＣｏ／Ｒｕ／ＴｂＦｅＣｏ、あるいはＴｂＦｅＣｏ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢのように組み合わせて用いることで、磁壁特性を調整することが可能となる。
（書き込み）
磁性細線４への書き込みは、電極２と電極８とを用いて行う。これを図３（ａ）乃至図３（ｄ）を参照して説明する。図３（ａ）、３（ｂ）は磁性細線４が厚さ方向に磁化容易軸を有する場合を示す断面図であり、図３（ｃ）、３（ｄ）は磁性細線４が幅方向に磁化容易軸を有する場合を示す断面図である。
書き込みは、電極８と磁性細線４との間に電圧を印加しつつ、書き込み電流を磁性電極層２ｂと磁性細線４との間に流すことで行なう。磁性細線４のセルＴＣ−ｗに書き込まれるデータは、図３（ａ）乃至３（ｄ）に示すように書き込み電流の向きを変えることで規定する。例えば、磁性細線４のセルＴＣ−ｗの磁化方向を、磁性電極層２ｂの固定された磁化方向に反平行な状態から平行な状態に書き込む場合には、図３（ａ）、３（ｃ）に示すように、磁性電極層２ｂから中間層２ａを介して磁性細線４のセルＴＣ−ｗに電子流（電流と逆向き）を流す。このとき、電子流は磁性電極層２ｂを通ることによりスピン偏極され、このスピン偏極された電子流は中間層２ａを介して磁性細線４のセルＴＣ−ｗに流れる。すると、磁性細線４のセルＴＣ−ｗの磁化にスピントルクが作用して、セルＴＣ−ｗの磁化は、磁性電極層２ｂの磁化と同じ方向（平行）になる。
これに対して、磁性細線４のセルＴＣ−ｗの磁化方向を、磁性電極層２ｂの磁化方向に平行な状態から反平行な状態に書き込む場合には、図３（ｂ）、３（ｄ）に示すように、磁性細線４のセルＴＣ−ｗから中間層２ａを介して磁性電極層２ｂに電子流を流す。このとき、電子流は磁性細線４のセルＴＣ−ｗを通ることによりスピン偏極され、このスピン偏極された電子流は中間層２ａを介して磁性電極層２ｂに流れる。すると、磁性電極層２ｂの磁化方向に平行な方向にスピン偏極された電子は磁性電極層２ｂを通過するが、磁性電極層２ｂの磁化方向に反平行な方向にスピン偏極された電子は中間層２ａと磁性電極層２ｂとの界面で反射される。この反射されたスピン偏極された電子は磁性細線４のセルＴＣ−ｗに流れ、磁性細線４のセルＴＣ−ｗの磁化にスピントルクが作用して、セルＴＣ−ｗの磁化は、磁性電極層２ｂの磁化と逆方向（反平行）になる。
なお、電極８が設けられていても、電極８と磁性細線４の間の絶縁層６がない場合には磁性細線に電圧が印加されないため、電界効果が生じない。このため、本実施形態の効果は得られない。
このように、本実施形態においては、中間層２ａ、磁性電極層２ｂ、および非磁性電極２ｃを有する電極２と、絶縁層６と、電極８とが書き込み部５を形成する。
中間層２ａは、スピントルクを伝達するために、非磁性トンネルバリアあるいは非磁性金属が用いられる。非磁性トンネルバリアには、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、シリコン酸窒化物（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３などの材料を用いることができる。また、グラファイトのような非磁性材料を用いることができる。非磁性金属の例としては、Ｃｕ、Ａｇ，Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらを１種類以上含む合金が挙げられる。
絶縁層６には、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、シリコン酸化物（ＳｉＯ２）、シリコン窒化物（Ｓｉ−Ｎ）、シリコン酸窒化物（Ｓｉ−Ｏ−Ｎ）、ＴｉＯ２、Ｃｒ２Ｏ３などの絶縁材料や、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３，ＰｂＴｉＯ３、あるいはＨｆＯ２などの誘電材料を用いることができる。
磁性電極層２ｂには、磁性細線４の磁化方向に応じて垂直磁化膜あるいは面内磁化膜を用いる。垂直磁化膜としては、前述の希土類―遷移金属アモルファス合金、多層膜、遷移金属とＰｔまたはＰｄとの規則合金などを用いることができる。また、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉの何れか１種類以上の元素を含む金属もしくは合金を用いることができ、それらには面内磁化膜も含む。例えば、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＣｏ合金、あるいはＣｏＦｅＢ合金、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＴａ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔＴａ合金、ＣｏＣｒＮｂ合金、ＣｏＦｅＢ合金が挙げられる。磁性電極層２ｂには、上述の材料を少なくとも１層含み、例えばＣｏＦｅＢ／ＴｂＦｅＣｏや、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎのように組み合わせて用いることで、磁気特性を調整することができる。
電極８は非磁性金属からなり、具体例としてＣｕ、Ａｇ，Ａｕ、Ａｌ、あるいはそれらを１種類以上含む合金が挙げられる。
（磁性電極層２ｂおよび電極８の寸法）
磁性電極層２ｂおよび電極８の寸法について図４（ａ）、４（ｂ）を参照して説明する。図４（ａ）は磁性細線４が厚さ方向に磁化容易軸を有する場合を示す断面図であり、図４（ｂ）は磁性細線４が幅方向に磁化容易軸を有する場合を示す断面図である。磁性電極層２ｂおよび電極８の寸法は、前述のとおり、磁性細線４の延在する方向における電極８の幅ＷＮＭＥが、磁性細線４の延在する方向における磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥ以上であり、より望ましくは、電極８の幅ＷＮＭＥは磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥより大きい。この範囲とすることで効率良く書き込みを行うことができる。また、電極８の幅ＷＮＭＥは、磁性細線４が延在する方向における磁性細線４の磁区の長さ（１ビット長）Ｗｂの２倍よりも小さい。電極８の幅ＷＮＭＥが磁区の長さ（１ビット長）Ｗｂの２倍以上になると、隣接セルへの誤書き込みが生じる。さらに、電極８の幅ＷＮＭＥは４００ｎｍ未満であることが望ましい。４００ｎｍ以上となると、メモリとして高密度化することが難しい。
また、中間層２ａが非磁性トンネルバリアであるときには、中間層２ａの厚さｔ int は、絶縁層６の厚さｔＩＮＳより薄い。中間層２ａの厚さｔ int が絶縁層６の厚さｔＩＮＳより厚い場合には、十分な書き込み電流を流すことができない。
また、図５に示すように、電極８と絶縁層６が接する面と、磁性電極層２ｂと中間層２ａが接する面との、磁性細線４が延在する方向でのオーバーラップした長さＷoverlapは、磁壁の磁性細線４が延在する方向における長さ、すなわち磁壁の幅ＷＤＷ以上で、かつ磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥ以下であることが望ましい。長さＷoverlapが磁壁の幅ＷＤＷより小さい場合には効果的な書き込みができない。磁壁の幅ＷＤＷは、材料の交換スティフネス定数Ａと磁気異方性の大きさＫｕを用いてＷＤＷ＝（Ａ／Ｋｕ）１／２から求めることができる。また、磁壁の幅ＷＤＷは、マイクロマグネシミュレーションから求めることができる。さらに、磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）あるいはスピンＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）やスピンＳＴＭ（Scanning Tunneling Microscope）などの磁区観察手段で直接的に求めることができる。
次に、磁性細線に記録ビットの長さに応じた周期的な形状が設けられている場合について図６（ａ）乃至図６（ｃ）を参照して説明する。図６（ａ）、６（ｂ）は磁性細線４にくびれが設けられた例を示す上面図である。また、図６（ｃ）は、これらの磁性細線４における磁壁エネルギーの細線方向での位置依存性を示すグラフである。これらの磁性細線４には、くびれは周期的に設けられており、その結果、磁壁エネルギーも周期的に変化している。くびれの部分で磁壁ポテンシャルは低くなり、磁壁が安定に存在できる。このため、くびれ１周期分が最小の記録ビットの長さとなる。電極８の幅ＷＮＭＥはこの記録ビットの長さＷｂの２倍未満であることが望ましい。あるいは、磁壁ポテンシャルの周期の２倍未満の長さであることが望ましい。幅ＷＮＭＥが磁壁ポテンシャルの周期の２倍以上の長さであると、隣接セルに誤書き込みを起こす。一方、磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥは記録ビットの長さＷｂより小さいことが望ましい。あるいは、磁壁ポテンシャルの周期より小さいことが望ましい。このようにすることで、書き込み電流を低く抑えつつ、確実な書き込みを行うことができる。一方、電極８の磁性細線４が延在する方向に直交する方向の幅Ｗｄｅは、絶縁層６を介して電極８に対応した磁性細線４の部分の中で最大の細線幅Ｗｍａｘより大きいことが、効果的に電流を小さくする点で望ましい。一方、磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥは磁壁の幅ＷＤＷ以上、ＷＮＭＥ以下であることが、確実な書き込みのために望ましい。
さらに、電極８と絶縁層６が接する面と、磁性電極層２ｂと中間層２ａが接する面との、磁性細線が延在する方向でのオーバーラップ関係は、前者が後者を完全にオーバーラップすることがより望ましい。すなわち、電極８と絶縁層６が接する面は、磁性細線４が延在する方向に直交する方向から投影したとき、磁性電極層２ｂと中間層２ａが接する面を含むことが好ましい。しかし、許容範囲としては、前述のように、磁壁幅ＷＤＷ以上、磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥ以下であることが望ましい。また、磁性電極層２ｂと中間層２ａが接する面は、対応する磁性細線４において一つの磁壁ポテンシャルの山をカバーすることが望ましく、電極８と絶縁層６が接する面は、対応する磁性細線４で一つの磁壁ポテンシャルの山から２つ先の磁壁ポテンシャルの山までをカバーする範囲の中にあることが望ましい。図６（ａ）には、電極８と絶縁層６が接する面が、一つの凸部、すなわち 磁壁ポテンシャルの山をカバーする図が示されている。このようにすることで、所定の位置に書き込み電流を抑えつつ確実な書き込みを行うことができる。なお、くびれを有する磁性細線４において、磁壁ポテンシャルの山は細線が太い部分（凸部）に対応する。
以上は、周期的構造をもつ磁性細線において、１つの凸部で一つのビットを担う場合についてである。一方、２つの凸部で一つのビットを担う場合には、上記の範囲から、電極８の幅ＷＮＭＥおよび磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥのポテンシャル周期に対する望ましい上限値が変わる。電極８の幅ＷＮＭＥは磁壁ポテンシャルの周期の３倍未満であることが望ましく、磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥは磁壁ポテンシャルの周期の２倍より小さいことが望ましい。幅ＷＮＭＥが磁壁ポテンシャルの周期の３倍以上の長さであると、隣接セルに誤書き込みを起こす。また、磁性電極層２ｂと中間層２ａが接する面は、対応する磁性細線４において２つの磁壁ポテンシャルの山をカバーすることが望ましく、電極８と絶縁層６が接する面は、対応する磁性細線４で１つの磁壁ポテンシャルの山から３つ先の磁壁ポテンシャルの山までをカバーする範囲の中にあることが望ましい。
図４（ａ）、４（ｂ）で説明した書き込みにおいて、絶縁層６を介して磁性細線４に電界を印加すると、電界が印加された磁性細線４の部分の磁気異方性の大きさ、あるいは磁気異方性の方向、あるいは磁化の大きさなどの磁気特性が変化する。すると、例えば、垂直磁化をもつ磁性細線において、垂直磁気異方性を小さくすることで、磁化反転に必要な書き込み電流を小さくすることができる。
書き込み時の動作タイミングについて、図７乃至図９を参照して説明する。
図７は、電極８へ印加する電圧と、磁性電極層２ｂに出入りするスピントルク電流との動作タイミングを示す波形図である。書き込み動作は、電極８に電圧Ｖｐを印加することによって磁性細線４に電界を印加し、電界を印加した状態で、磁性電極層２ｂから磁性細線４に電極１０ａもしくは電極１０ｂを用いて電流パルス（書き込み電流）を流してスピントルクを磁性細線４に作用させることで行う。書き込まれる磁化の向き（磁気情報）は電流パルスの極性を変えることで規定される。例えば、書き込み電流が正の場合に書き込まれる磁化情報を“１”とし、書き込み電流が負の場合に書き込まれる磁化情報を“０”とする。
電流パルスは、磁化反転領域が記録ビットの半分のサイズに成長するまで流すことが望ましい。また、例えば図６（ａ）、６（ｂ）に示すくびれがある磁性細線４においては、電流パルスを、磁化反転領域が一つの磁壁ポテンシャルの山を挟むサイズに成長するまで流すことが望ましい。磁壁ポテンシャルの山は磁性細線４が局所的に太い部分に相当する。その後、電流パルスと電圧を切ったのち磁壁を安定点まで緩和させる。図７に示す第１例では、書き込み電流は電極８に電圧Ｖｐが印加されている間に流す。すなわち、書き込み電流は電極８に印加される電圧Ｖｐが０になる前に先に０にする。なお、電極８への電圧Ｖｐの正負は、電圧を電極８に印加したとき、電極８側に電子がチャージされる方向をプラスとする。電界効果が強い場合には、図８に示す第２例のように、書き込み電流は電極８に電圧Ｖｐが印加されてから流し、電圧Ｖｐが０になった後に０にする。すなわち、先に電圧Ｖｐを０にすることで、書き込みの安定化を図る。図９に示す第３例では、書き込み電流と電圧Ｖｐとを同時に印加することで動作を単純にする。
磁性細線４に磁気情報（ビットデータ）を書き込んだ後は、書き込まれた１ビット分のデータ（磁気情報）を隣のセルまでシフトさせる。シフト動作は、電極１０ａと電極１０ｂとの間に電流を流すことで行う。ビットデータをシフトさせたのち、再度、書き込み動作とビットデータのシフト動作とを続ける。これにより、磁性細線４にビット列を記録する。なお、図７乃至図９に示す波形図では、立ち上がりおよび立ち下りは急峻であるが、回路の設計具合により鈍る。
次に、シフト動作のための電極とスピントルク電流を流すための電極との関係を説明する。図１において、電極１０ａはスピントルク書き込み動作とシフト動作の双方において使用する。つまり、書き込み時には電極１０ａと電極２との間に電流を流しつつ、電極８に電圧を印加することで書き込む。一方、シフト動作は電極１０ａと電極１０ｂとの間に電流を流すことで行なう。ちなみに、電極１０ａと電極１０ｂとは左右反対にしても効果は同じである。例えば、電極１０ｂを電極１０ａの代わりに、スピントルク書き込み動作とシフト動作の双方において使用することができる。
（第１変形例）
第１実施形態の第１変形例の磁気メモリについて図１０を参照して説明する。図１０は第１変形例の磁気メモリの断面図である。第１変形例では、さらにシフト動作用の電極２０が設けられている。この電極２０は、電極１０ａに比べて電極２から遠い位置に設けられる。ここで、遠い位置とは、電極２０が接する磁性細線４の位置から電極２が接する磁性細線４の位置までの磁性細線４上の距離が、電極１０ａが接する磁性細線４の位置から電極２が接する磁性細線４の位置までの磁性細線４上の距離よりも長いことを意味する。磁性細線４は、複数の屈曲部を有している。スピントルク電流は近接して設けられた電極１０ａと電極３との間に流し、一方、電極２０と電極１０ｂとの間に流すことでシフト動作を行う。スピントルク電流が比較的大きく、シフト動作をディスターブする可能性がある場合には、このようにスピントルク電流が流れる経路を短くすることが好ましい。
（第２変形例）
第１実施形態の第２変形例による磁気メモリを図１１に示す。この第２変形例の磁気メモリにおいては、各電極の機能は図１に示す第１実施形態と同様であるが、電極１０ａは磁性細線４の一端にあり、それに近接して電極２と電極８とを含む書き込み部５が設けられている。その結果、書き込みは磁性細線４の端で行なうことになる。なお、電極１０ａは、図１１のように磁性細線４の下部でもよいが、磁性細線４の上部でも横でも、効果は変わらない。
（読み出し）
次に、読み出しについて説明する。磁性細線４には、その一部に、読み出し部が配置されている。読み出し部の設け方は２通りある。第１の方法は、スピントルク書き込み部を構成する中間層２ａ／磁性電極層２ｂを流用して、トンネル磁気抵抗効果に代表させる磁気抵抗効果にて検出する。この場合、中間層２ａにトンネルバリア材料を用いると、大きな信号を得ることができる。また、磁性電極層２ｂの中間層２ａに接する部分の磁化容易軸方向は、磁性細線４の磁化容易軸方向と一致していることが望ましい。この第１の方法では、読み出し部と書き込み部の一部が兼用できるため、デバイス構造を簡素化することができる。
第２の方法では、図１２に示すように、書き込み部５とは別に読み出し部３０を設ける。この場合の利点は、読み出しが書き込みに対して構造上の制約を課さない点である。書き込み部５の中間層２ａには大きな電流を流せるＣｕなどの金属中間層を用い、読出し部３０には図１３（ａ）に示すように磁性細線４に接してトンネルバリア層３０ａと磁性電極層３０ｂを設けることで、書き込みによるトンネルバリアの破壊を防ぎつつ、読出し時の信号出力を大きくすることができる。
読み出し部３０には、例えば図１３（ｂ）に示すように磁性細線４から離間して検出線３２を設け、磁壁が移動するときに検出線３２に生じる誘導起電力を用いることができる。また、図１３（ｃ）に示すように磁性細線４から離間してもしくは磁性細線４に接してスピン波伝送線３４を設けることで、スピン波信号として検出することができる。さらに、後述する異常ホール効果を用いて検出することができる。このようにして、磁気抵抗効果に限定されず、各種検出方法を適用することができる。
以上説明したように、第１実施形態によれば、スピントルク書き込み時の書き込み電流を低減することが可能な、磁性細線を有する磁気メモリを提供することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態による磁気メモリの製造方法について図１４（ａ）乃至図１７（ｂ）を参照して説明する。
第２実施形態の磁気メモリの製造方法は、第１実施形態の磁気メモリの製造方法であって、例えば、図１４（ａ）または図１４（ｂ）に示す磁気メモリを製造する。図１４（ａ）は、磁性細線４が複数の屈曲部を含む３次元形状を有している場合の磁気メモリの断面図であり、図１４（ｂ）は、磁性細線４が直線状の形状を有している場合の磁気メモリの断面図である。以下では、図１４（ａ）に示す磁気メモリの製造方法について説明する。
図１５に本実施形態の製造方法によって製造される磁気メモリの平面図を示す。スピントルク書き込みの中間層２ａにはトンネルバリア層を用い、ＴＭＲ読み出し部を兼用とした。磁性細線４は例えば幅２０ｎｍの直線とした。図１６（ａ）乃至図１７（ｂ）に製造工程断面図を示す。これらの断面図は、図１５に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図である。
まず、読み出しおよび書き込みのための電極用配線（図示しない）を予めパターン形成した熱酸化膜付きＳｉ基板１００を超高真空スパッタ装置内に配置する。続いて、基板１００上にバッファ層（図示せず）を介しＴＭＲの固着層に対応する磁性電極層２ｂとして、厚さが３０ｎｍのＴｂＣｏＦｅ膜、厚さが２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜を順次形成する。さらに、ＣｏＦｅＢ層上に厚さが１ｎｍのＭｇＯからなる絶縁層２ａを形成する（図１６（ａ））。
次に、絶縁層２ａ上にレジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを露光して現像することで、レジストからなるマスクを形成する。このマスクを用いてイオンミリングを行うことにより、磁性電極層２ｂと絶縁層２ａをおよそ２０００ｎｍ×２０ｎｍの形状に加工する。続いて、周辺を絶縁体、例えばＳｉＯ２層３で埋め込み、その後、上記マスクを除去する。これにより書き込み兼読み出し部の電極２が形成される（図１６（ｂ））。
次に、基板１００を超高真空スパッタ装置内に再度配置し、磁性細線層４として、厚さが１ｎｍのＣｏＦｅＢ膜、および厚さが１０ｎｍのＴｂＦｅＣｏ膜を順次形成する（図１６（ｃ））。続いて、磁性細線層４上にレジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを細線状に露光して現像することで細線状マスクを形成する。このマスクを用いてイオンミリングを行うことにより磁性細線層４を細線状に加工する。さらに周囲を絶縁体、例えばＳｉＯ２層（図示せず）で埋め込む。そして、磁性細線層４上に形成されたマスクを除去して磁性細線４を形成する（図１６（ｃ））。
次に、例えばＨｆＯからなる非磁性絶縁層６を成膜する。この非磁性絶縁層６上にレジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを露光し現像することで、非磁性絶縁層６上にマスクを形成する。次に、イオンミリングによって非磁性絶縁層６を電極形状にパターン形成した後、非磁性絶縁層６上に形成されたマスクを除去する。さらに、Ｔａ膜およびＡｕ膜からなる電極用材料層を成膜する。この電極用材料層上にレジスト（図示せず）を塗布し、ＥＢ描画装置を用いてレジストを露光し、現像してマスクを形成する。このマスクを用いてイオンミリングを行うことにより、磁性細線４に電界を印加するための電極８を形成する。さらに、非磁性絶縁層１２を形成した後、電極８上に形成されたマスクを除去することで、電極８の周囲が非磁性絶縁層１２で埋め込まれる（図１７（ａ））。
最後に、図１７（ｂ）に示すように、磁性細線４へ磁壁移動のための電流導入ビア９ａ、９ｂを形成する。このビア９ａ、９ｂの形成は、以下のように形成される。非磁性絶縁層１２上にレジスト（図示せず）を塗布し、このレジストをＥＢ描画装置を用いて露光し現像することで、ビア９ａ、９ｂが形成されるべき位置の開口を有する、レジストからなるマスクを形成する。このマスクを用いて非磁性絶縁層１２に対してイオンミリングを行うことで、底面が磁性細線４に達する開口を非磁性絶縁層１２に形成する。その後、上記開口を埋め込むように、金属材料膜を成膜し、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いて平坦化することにより、ビア９ａ、９ｂが形成される。続いて、電極材料膜を成膜し、この電極材料膜をパターニングすることにより、ビア９ａ、９ｂにそれぞれ接続する電極１０ａ、１０ｂを形成する。
以上により、磁性細線４を備えた磁気メモリを作製することができる。
この第２実施形態も第１実施形態と同様に、スピントルク書き込み時の書き込み電流を低減することが可能な、磁性細線を有する磁気メモリを提供することができる。
（第３実施形態）
第３実施形態による磁気メモリについて図１８乃至図１９（ｂ）を参照して説明する。第３実施形態の磁気メモリの平面図を図１８に示す。この第３実施形態の磁気メモリは、第１実施形態の磁気メモリにおいて、異常ホール効果の検出することにより、読み出しを行っている。この異常ホール効果の検出のために、磁性細線４の延在する方向に直交する方向に延在する磁性細線４０を設けるとともにこの磁性細線４０の両端に電極５０ａ、５０ｂを設けている。
第２実施形態の製造方法と同様の方法を用いて第３実施形態の磁気メモリを作製した。このとき、磁性細線４０の幅は７０ｎｍで、電極８の幅ＷＮＭＥは１００ｎｍ、磁性電極層２ａの幅ＷＦＭＥは７０ｎｍとした。また、比較例として、電極８を設けない以外は第３実施形態の磁気メモリと同じものを作成した。
その後、本実施形態による磁気メモリおよび比較例は、ともに膜面垂直方向に磁場を印加して、磁化方向を揃えた。
本実施形態による磁気メモリおよび比較例に関して、電極１０ａと電極２との間に電流を流す。その後、電極１０ａと電極１０ｂとの間にパルス電流を流して磁壁をシフトさせつつ、電極５０ａと電極５０ｂとの間に生じる異常ホール電圧を測定し、磁壁の通過の有無から書き込みができたか否かを評価した。
本実施形態においては、電極１０ａと電極２との間に電流を流しつつ、図９に示す波形図に従って電極８へ電圧を印加した。
電極１０ａと電極１０ｂとの間に０．６ｍＡの電流を８ｎｓ流した場合、図１９（ａ）に示すように、本実施形態による磁気メモリにおいては、異常ホール電圧の値が電流パルスの数７５で一度上がり、パルス数９０で元に戻り、ビットの書き込みを確認した。
一方、比較例においては、図１９（ｂ）に示すように、パルス数１８０までの観測においても変化が見られなかった。
図１９（ａ）、１９（ｂ）からわかるように、本実施形態では比較例に比べて電圧印加が増えているが、この電圧印加によっては電流が流れないため電力消費が無視される。これより、本実施形態が書き込み時の低電力性に優れていることが明らかになった。
（実施例）
次に、第１および第３実施形態の磁気メモリの効果をマイクロマグネティクス・シミュレーションにより確認した。
磁性細線４の幅が２０ｎｍで厚さが２．５ｎｍの形状をもち、磁化が２００ｅｍｕ／ｃｃである磁性細線４の中央に、書き込みのビット長さとして４８ｎｍを設定して電極８を設けて、磁性細線４の中央部の磁化状態を時間観察した。
実施例の磁気メモリとして、電極８の幅ＷＮＭＥが４８ｎｍ、磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥが３６ｎｍである２つの電極８、２ｂを設けた。また、幅ＷＮＭＥの電極８に対応した磁性細線４の部分について磁気異方性を電界により５％ほど小さくし、一方、幅ＷＦＭＥの磁性細線電極２ｂに対応した磁性細線４の部分にはスピントルクを印加した（サンプル２）。２つの比較例１、２として、ともに磁性電極層２ｂの幅ＷＦＭＥを４８ｎｍとし、ここにスピントルクを印加した（サンプル１、サンプル３）。図２０はスピントルクを印加する電流を流し始めてからの磁化の時間変化を示したものである。サンプル１とサンプル２には２８．８μＡの同じ電流を流した。サンプル１（比較例１）は１０ｎｓ経過しても書き込みができていないが、サンプル２（実施例）は９ｎｓあたりでビットが書き込まれて、第１実施形態で低電流化の効果があることを確認した。さらに、サンプル３（比較例２）は、書き込み電流を３８．４μＡとした例である。書き込み電流を増加させると、比較例２でも書き込みが可能となる。しかし、この比較例２においては、書き込まれたビットの長さは時間とともに変化している。
これに対して、本実施例のサンプル２は、書き込まれたビットの長さは安定しており、低電流での書き込みとともに書き込まれた状態がメモリ素子として好ましい特性を示した。
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。これらの実施形態は、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。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。
２ 電極
２ａ 中間層
２ｂ 磁性電極層
２ｃ 非磁性電極
３ 層間絶縁膜
４ 磁性細線
５ 書き込み部
６ 絶縁層
８ 非磁性電極
９ａ、９ｂ ビア
１０ａ 電極
１０ｂ 電極
１２ 層間絶縁膜

Claims (15)

  1. 磁性細線と、
    前記磁性細線の異なる位置に接して設けられた第１および第２電極と、
    前記第１および第２電極との間の前記磁性細線の位置に設けられ磁性層を含む第３電極と、
    前記磁性細線と前記第３電極との間に設けられ前記磁性細線に接するとともに前記第３電極に接する中間層と、
    前記磁性細線に対し前記第３電極に対向するように、前記磁性細線上に設けられた非磁性体の第４電極と、
    前記磁性細線と前記第４電極との間に設けられ前記磁性細線に接するとともに前記第４電極に接する絶縁層と、
    を備え、
    書き込み時に、前記第４電極と前記磁性細線との間に電圧が印加されるとともに、前記第３電極と前記第１および第２電極のうちの一方との間に前記磁性細線を介して書き込み電流が流れ、
    記録情報のシフト動作時に、前記第１電極と前記第２電極との間に前記磁性細線を介して電流が流れる磁気メモリ。
  2. 前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅は、前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以上であり、４００ｎｍ未満である請求項１記載の磁気メモリ。
  3. 前記磁性細線にはくびれが周期的に設けられており、前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅は、前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以上であり、前記くびれの周期の２倍未満である請求項１記載の磁気メモリ。
  4. 前記磁性細線は磁壁ポテンシャルが周期的に変動する磁気特性を有し、前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅は、前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以上であり、前記磁壁ポテンシャルの周期の２倍未満である請求項１記載の磁気メモリ。
  5. 前記磁性細線にはくびれが周期的に設けられており、１つの記録ビットはくびれ２周期分に対応し、前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅は、前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以上であり、前記くびれの周期の３倍未満である請求項１記載の磁気メモリ。
  6. 前記磁性細線は磁壁ポテンシャルが周期的に変動する磁気特性を有し、１つの記録ビットは磁壁ポテンシャル２周期分に対応し、前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅は、前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以上であり、前記磁壁ポテンシャルの周期の３倍未満である請求項１記載の磁気メモリ。
  7. 前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅は、前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以上であり、記録ビットの長さの２倍未満である請求項１記載の磁気メモリ。
  8. 前記磁性細線が延在する方向に直交する方向における前記第４電極の幅は、前記第４電極に対応する前記磁性細線の部分における前記磁性細線の最大幅より大きい請求項１乃至７のいずれかに記載の磁気メモリ。
  9. 前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅は、前記磁性細線の磁壁の幅以上で、かつ前記第４電極が前記絶縁層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第４電極の幅以下である請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気メモリ。
  10. 前記中間層はトンネルバリア層であり、前記絶縁層の厚さより薄い請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気メモリ。
  11. 前記中間層は非磁性金属層である請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気メモリ。
  12. 前記磁性細線上に隣接して読出し部が設けられた請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気メモリ。
  13. 前記第４電極と前記絶縁層が接する面は、前記磁性細線が延在する方向に直交する方向から投影したとき、前記第３電極と前記中間層が接する面を含む請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリ。
  14. 前記第４電極と前記絶縁層が接する面と、前記第３電極と前記中間層が接する面との、前記磁性細線が延在する方向における重なる部分の長さは、前記磁性細線の磁壁の幅以上で、かつ前記第３電極が前記中間層に接する面における前記磁性細線が延在する方向での前記第３電極の幅以下である請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気メモリ。
  15. 請求項１乃至１４のいずれかに記載の磁気メモリの書き込み方法であって、
    前記第４電極に前記電圧を印加するステップと、
    前記第３電極と、前記第１および第２電極の一方との間で前記磁性細線を介して前記書き込み電流を流すステップと、
    を備え、
    前記書き込み電流を流す時間と前記電圧を引加する時間とが重なる書き込み方法。
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