JP6184680B2 - 磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および駆動方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および駆動方法に関する。

従来、半導体メモリは、各メモリセルに、記憶素子と、選択素子と、情報引き出し配線とを備えるように形成していた。

近年、メモリの大容量化を実現するために、シフトレジスタ型メモリが提案されている。これは、記憶素子のみを高密度に配置するというコンセプトに基づいており、記憶情報を、所定の場所に形成されたセンサおよび配線の位置まで転送する方式である。このため、メモリ容量を飛躍的に増大することができる可能性がある。シフトレジスタ型メモリは、その目的上、各ビット（各桁）に制御電極を設けるのは望ましくなく、ビット列全体に対して何らかの作用を加えることで、所望の桁数のシフト動作を行う必要がある。

しかし、全桁の情報をそれぞれ間違いなく桁送りすることは容易ではない。

米国特許第７，６２６，８４４号明細書

本実施形態は、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および駆動方法を提供する。

本実施形態による磁気記憶素子は、磁区を有する磁性細線と、前記磁性細線に接続され前記磁性細線に電流を流す一対の電極と、前記磁性細線に接続され前記磁区に磁化情報を書き込む書き込み部と、前記磁性細線に接続され前記磁区の磁化情報を読み出す読み出し部と、を備え、前記磁性細線は前記磁性細線が延在する第１方向に直交する方向に磁化方向を有し、前記第１方向と直交する第２方向と前記第１方向とによって決定される平面で切断した前記磁性細線の断面が第１および第２外形線を有し、前記第１外形線は、前記磁性細線内の前記第１方向に平行な仮想直線からの距離が極小となる第１極小点と、この第１極小点と異なる、前記仮想直線からの距離が極小となる第２極小点と、前記第１極小点と前記第２極小点との間で前記仮想直線からの距離が最大となる第１極大点とを有し、前記第１極小点と前記第２極小点とを結ぶ第１直線と、前記第１極小点と前記第１極大点とを結ぶ第２直線または前記第２極小点と前記第１極大点とを結ぶ第３直線との成す角度が４度以上３０度以下であることを特徴とする。

第１実施形態による磁気記憶素子を示す断面図。 図２（ａ）乃至２（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図３（ａ）乃至３（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図４（ａ）乃至４（ｅ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図５（ａ）乃至５（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図６（ａ）乃至６（ｃ）は、磁性細線の外形線における基準点の取り方を説明する図。 図７（ａ）、７（ｂ）は、シミュレーション条件を説明する図。 図８（ａ）乃至８（ｄ）は、シミュレーション結果を示す図。 シミュレーション条件を説明する図。 図１０（ａ）乃至１０（ｄ）は、シミュレーション結果を示す図。 書き込み部および読み取り部を示す断面図。 磁壁を移動するための電流パルスの波形図。 磁壁が移動する際の磁壁内の磁化の変化を示す図。 磁壁が移動する際の磁壁内の磁化の変化を示す図。 図１５（ａ）乃至１５（ｃ）は、第１実施形態による磁気記憶素子の製造工程を示す断面図。 図１６（ａ）乃至１６（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図１７（ａ）乃至１７（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図１８（ａ）、１８（ｂ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図１９（ａ）、１９（ｂ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図２０（ａ）乃至２０（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図２１（ａ）乃至２１（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図２２（ａ）、２２（ｂ）は、第２実施形態による磁気記憶素子を示す図。 第３実施形態による磁気記憶装置を示す回路図。 第３実施形態による磁気記憶装置のメモリセルアレイの斜視図。 第４実施形態による磁気メモリを示す斜視図。 細線幅変化率を説明する図。 図２７（ａ）、２７（ｂ）は、より好ましい磁性細線の形状を説明する図。 磁性細線の極大点の取り方を説明する図。 図２９(ａ）、２９（ｂ）は、他のシミュレーション結果を説明する図。 図３０（ａ）乃至３０（ｄ）はそれぞれ、実施例５乃至実施例８の磁性細線の形状を示す図。 図３１（ａ）乃至３１（ｃ）はそれぞれ、比較例５乃至比較例７の磁性細線の形状を示す図。

以下に、実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気記憶素子を図１に示す。この第１実施形態の磁気記憶素子１は、磁性細線(Magnetic nanowire)１０と、電極２０、２２と、読み出し部２４と、書き込み部２６と、を備えている。

本明細書では、磁性細線１０とは、延在する方向（第１方向）の寸法（長さ）が、第１方向と直交する第２方向の寸法（幅）および第１および第２方向と直交する第３方向の寸法（厚さ）よりも１０倍以上大きい磁性膜を意味する。図１は、第１実施形態の磁気記憶素子１の、磁性細線の第１方向に沿った断面図である。磁性細線１０を第１方向に垂直な面で切断した断面形状は、例えば四角形である。その断面の寸法（幅および厚さ）は断面内において磁化方向に分布を生じさせないために、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが望ましい。

次に、磁性細線１０の形状について図２（ａ）乃至図３（ｃ）を参照して説明する。第３方向に直交する面で磁性細線１０を切断したときの部分Ｘ（図１参照）の断面、すなわち幅方向の断面を図２（ａ）に示す。図２（ａ）からわかるように、磁性細線１０の幅を示す線、すなわち外形線１２ａ、１２ｂは第１方向（延在する方向）に対して変化する。これらの外形性線１２ａ、１２ｂの形状について詳細に説明するために、磁性細線１０内に位置する、第１方向に平行な直線１４を仮想的に設定する。直線１４に対して一方の側（図面上では上側）に位置する外形線を外形線１２ａとし、他方の側（図面上では下側）に位置する外形線を外形線１２ｂとする。

直線１４から外形線１２ａまでの距離に関する、外形線１２ａ上に位置する互いに隣接する極小点を極小点Ａ、Ｃとする。そして、これらの極小点Ａ、Ｃ間における外形線１２ａ上の点であって、直線１４までの距離が最大となる点を極大点Ｂとして選ぶ。すると、図２（ｂ）または図２（ｃ）に示すように、角ＢＡＣまたは角ＢＣＡのうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ａは有している。点Ａ、Ｂ、Ｃは、外形性線１２ａの形状を決定するための基準点となる。

また、図３（ａ）に示すように、直線１４から外形線１２ｂまでの距離に関する、外形線１２ｂ上に位置する互いに隣接する極小点を極小点Ａ’、Ｃ’とする。そして、これらの極小点Ａ’、Ｃ’間における外形線１２ｂ上の点であって、直線１４までの距離が最大となる点を極大点Ｂ’として選ぶ。すると、図３（ｂ）または図３（ｃ）に示すように、角Ｂ’Ａ’Ｃ’または角Ｂ’Ｃ’Ａ’のうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ｂは有している。点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’は、外形線１２ｂの形状を決定するための基準点となる。

磁性細線１０は、磁気記憶素子１に記憶されたビットデータに対応して、複数の磁区を有している。磁性細線１０の磁化容易軸は、第１方向に垂直な方向、例えば第２方向あるいは第３方向である。それぞれの磁区において、磁化が安定する方向が磁化容易軸の正方向または負方向のいずれかである。隣接する２つの磁区の境界近傍において、磁化方向は、第１方向に沿って連続的に変化する。この磁化方向が変化する領域は磁壁と呼ばれる。磁壁は磁性体の異方性エネルギーＫｕおよび交換スティフネスＡで決まる有限の長さ（第１方向における長さ）Ｌ_ｄｗを有する。磁壁の長さ（磁壁幅ともいう）Ｌ_ｄｗは、理論的にＬ_ｄｗ＝２（Ａ／Ｋｕ）^１／２で求められる。例えば、Ａ＝１μｅｒｇ／ｃｍ、Ｋｕ＝１０^７ｅｒｇ／ｃｍ^３とすると、Ｌ_ｄｗ＝６ｎｍである。

第１実施形態の磁気記憶素子１においては、ビットデータは第１方向に磁性細線内の磁化方向として記憶される。典型的には、１ビットが占める第１方向の長さ（以下、ビット長という）Ｌ_ｂは、６ｎｍ〜２００ｎｍである。このビット長Ｌ_ｂは磁壁の長さＬ_ｄｗの２倍以上であることが好ましい。更に、望ましくは、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることにより、隣接する磁壁間の相互作用によるそれらの磁壁間における磁区の熱的な不安定化を抑制することができる。また、磁壁の位置が磁性細線１０の幅が極小となる位置に存在するようにとると、その極小となる位置に磁壁がピン止めされ、電流非通電時における意図せぬ磁壁の移動を防止することができる。例えば、磁性細線１０の幅が極小となる位置ｘ_１からこの極小となる位置ｘ_１に隣接する極小となる位置ｘ_２までの領域に１ビットのデータを記憶することができる。この場合、ｘ_１からｘ_２までの距離をＬ_ｐと書く。１ビット長の領域内に磁性細線１０の幅の極小点が複数含まれていてもよい。

図１乃至図３（ａ）および図３（ａ）以降の図面では、磁性細線の幅の変化が数個分しか表現されていない。しかし、実際には例えば１００〜数１０００ビット程度のデータが記憶できるよう、更に長い領域に亘って磁性細線１０の幅が変化する。磁性細線１０の全長を長くするほど、多数のビットデータを記憶することができる。しかし、磁性細線１０の全長が極端に長くなると、磁性細線１０全体の電気抵抗が高くなるため、磁性細線１０の全長は、典型的には１００ｎｍから１０μｍの範囲とすることが好ましい。

図４（ａ）乃至４（ｃ）は「０１１０１１１０」という８ビットのデータの保存例である。図４（ａ）に示すように、第３方向に磁化容易軸を持つ磁性細線１０内の磁区の磁化方向として記憶することが可能である。また、図４（ｂ）に示すように、磁化容易軸が第２方向となるようにしてもよい。図４（ａ）および図４（ｂ）に示す例ではＬ_ｂの最小値はＬ_ｐに等しいが図４（ｃ）に示すように、Ｌ_ｂがＬ_ｐより大きくてもよい。この場合、１ビットの磁区内（境界は含まない）に磁性細線１０の幅が極小となる位置が含まれている。

また、あるビットのビット長が他のビットのビット長と同じである必要はない。たとえば、図４（ｄ）に示す例では、Ｌ_ｂ＝２Ｌ_ｐとなるビットとＬ_ｂ＝３Ｌ_ｐとなるビットが混在している。図４（ｄ）に示す例のように、Ｌ_ｂ≧２Ｌ_ｐとなるようにデータを記憶すると、隣接する２つの磁壁間の距離が近くなるのを防止しながら、かつ全体の長さを短くすることができるので、高密度化し易く望ましい。また、図４（ｅ）に示すように、磁性細線１０の少なくとも一部において、磁化容易軸に対して特定の磁化方向を持つ磁区として保存されるビットについてのみＬ_ｂ≧２Ｌ_ｐとなる場合も、高密度化し易く望ましい。

また、磁性細線１０の形状は、図５（ａ）乃至５（ｃ）に示すように、磁性細線１０の幅に関する極大点または／および極小点の近傍において、細線幅がほぼ一定の（平坦な）領域が存在していてもよい。以下では、極大点または極小点の近傍において細線幅がほぼ一定の領域をそれぞれ極大領域または極小領域と呼ぶ。

このような、極大領域または極小領域が存在する場合の外形線上の点Ａ、Ｂ、Ｃの取り方について図６（ａ）乃至６（ｃ）を参照して説明する。図６（ａ）に示すように、２つの極小領域１８ａ１、１８ａ２とそれらに挟まれた極大領域１９ａを含む範囲において、外形線から直線１４までの距離の極小値、極大値、極小値をそれぞれｙ_ｍｉｎ１、ｙ_ｍａｘ、ｙ_ｍｉｎ２とする。このとき、直線１４までの距離が０．９ｙ_ｍｉｎ１＋０．１ｙ_ｍａｘとなる直線１５ａ１と外形線１２ａとの交点のうち、極大領域１９ａに最も近い点をＡと設定する。直線１４までの距離が０．９ｙ_ｍｉｎ２＋０．１ｙ_ｍａｘとなる直線１５ａ２と外形線１２ａとの交点のうち、極大領域１９ａに最も近い点をＣと設定する。また、直線１４までの距離が０．１ｙ_ｍｉｎ１＋０．９ｙ_ｍａｘとなる直線１６ａ１と外形線１２ａとの交点のうち、点Ａに最も近い点をＢ_１と設定する。また、直線１４までの距離が０．１ｙ_ｍｉｎ２＋０．９ｙ_ｍａｘとなる直線１６ａ２と外形線１２ａとの交点のうち、点Ｃに最も近い点をＢ_２と設定する。この場合、角Ｂ_１ＡＣまたは角Ｂ_２ＣＡのうち、少なくとも一方が４度以上３０度以下の範囲にある形状を、磁性細線１０が有している。

図６（ｂ）に示すように、外形線１２ｂに関する点Ａ’、Ｂ_１’、Ｂ_２’、Ｃ’についても、同様に定義する。また、図６（ｃ）に示すように、点Ａと点Ａ’、点Ｂ_１と点Ｂ_１’、点Ｂ_２と点Ｂ_２’、点Ｃと点Ｃ’はそれぞれ、第１方向において、同じ位置に存在していなくともよい。また、図６（ｂ）、６（ｃ）に示すように、外形線１２ａにおける極小点Ａと極大点Ｂ_１との間、極小点Ｃと極大点Ｂ_２との間には更に極小点または極大点が存在してもよい。このことは、外形線１２ｂに対しても同様である。

上記のように、磁性細線１０の外形線は極小領域と極大領域の間において端点を結ぶことにより得られる平均値として４度以上３０度以下の角度を持つが、局所的にこの範囲を外れていてもよい。具体的には、磁壁の長さＬ_ｄｗは典型的には６ｎｍであるので、極小領域と極大領域の間の第１方向に沿った長さが６ｎｍの領域内において磁性細線１０の細線幅が変化したとしても、意図せぬ磁壁のピン止めサイトにはならない。このような形状変化があることで、むしろ特定の位置に生じる意図せぬ磁壁のピン止め要因を抑制することができるため、磁壁の一斉移動が容易になり好ましい。意図せぬ磁壁のピン止め要因として、例えば磁性細線１０中で磁性粒界において異方性エネルギー等の磁気的な物性値が非連続に変化することなどが挙げられる。磁性細線１０における極小領域と極大領域の間に存在する、第１方向に沿った長さが６ｎｍのある領域内において、細線幅変化率が１０％以上になる部分があると、異方性エネルギーが１０％変化することによる磁壁の意図せぬピン止めを回避することが可能となる。ここで、領域Ｄにおける細線幅変化率とは、領域Ｄの一端での細線幅の値Ｗ_１と他端での値Ｗ_２の差｜Ｗ_１−Ｗ_２｜の平均値（Ｗ_１＋Ｗ_２）／２に対する割合２|Ｗ_１−Ｗ_２|／（Ｗ_１＋Ｗ_２）のことをいう。例えば、図２６に示す例では長さ６ｎｍの領域Ｄの一端での細線幅が３２．８ｎｍ，他端での細線幅が３７．９ｎｍであり、細線幅変化率は１４％となる。ただし、領域Ｄ内の細線幅の変化量｜Ｗ_１−Ｗ_２｜が極端に大きいとピン止め要因になるため、上記変化量｜Ｗ_１−Ｗ_２｜は１０ｎｍを越えないことが望ましい。

図２（ａ）に示す外形線１２ａ上の基準点Ａ、Ｂ、Ｃの代わりに図１６（ａ）に示すように、基準点Ｂ、Ｃ、Ｄを取ってもよい。この例においては、直線１４から外形線１２ａまでの距離に関する、外形線１２ａ上に位置する互いに隣接する極大点を極大点Ｂ、Ｄとする。そして、これらの極大点Ｂ、Ｄ間における外形線１２ａ上の点であって、直線１４までの距離が最小となる点を極小点Ｃとして選ぶ。すると、図１６（ｂ）または図１６（ｃ）に示すように、角ＣＢＤまたは角ＣＤＢのうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ａは有している。点Ｂ、Ｃ、Ｄは、外形線１２ａの形状を決定するための基準点となる。

また、図３（ａ）に示す外形線１２ｂ上の基準点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の代わりに図１７（ａ）に示すように、基準点Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’を取ってもよい。この例においては、直線１４から外形線１２ｂまでの距離に関する、外形線１２ｂ上に位置する互いに隣接する極大点を極大点Ｂ’、Ｄ’とする。そして、これらの極大点Ｂ’、Ｄ’間における外形線１２ｂ上の点であって、直線１４までの距離が最小となる点を極小点Ｃ’として選ぶ。すると、図１７（ｂ）または図１７（ｃ）に示すように、角Ｃ’Ｂ’Ｄ’または角Ｃ’Ｄ’Ｂ’のうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ｂは有している。点、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’は、外形線１２ｂの形状を決定するための基準点となる。

これまで述べてきたように、磁性細線１０の外形線１２ａ、１２ｂは極小点とこれとは異なる極小点とを結ぶ直線と、極小点と極大点とを結ぶ直線との成す角度が４度以上３０度以下の角度を有している。さらに、外形線１２ａと外形線１２ｂの少なくとも一方は、第１極大点と、この第１極大点から第２の方向に対応して存在する第２極大点とを結ぶ線分を直径とする円の周上もしくは円周の外側に位置する点を含むことが望ましい。図２７（ａ）においては、２つの外形線１２ａ、１２ｂにおける極大点と極小点とがなす角度は４度以上３０度以下の角度にある。さらに、第１極小点Ａと第１極大点Ｂ、第２極小点Ａ’と第２極大点Ｂ’、とに囲まれた領域１９_ｎにおいて、第１外形線と第２外形線は、第１極大点Ｂと第２極大点Ｂ’とを結ぶ線分を直径Ｄ_ｎとする円３０_ｎの円周（点線で示す）もしくは円周より外側に位置する点を含む。外形線１２ａ、１２ｂの一部が円３０_ｎより内側にあってもよい。しかし、その場合には、図２７（ａ）に示すように、外形線１２ａないし外形線１２ｂ上の点の、円３０_ｎの中心に対して対称となる外形線１２ａ、１２ｂ上の点は、円３０_ｎの外側にあることが望ましい。このようにすることで、磁壁を第一の方向に対して垂直に維持したまま動き易くすることができ、間違いのない桁送りに効果がある。図２７（ｂ）には、５つの極大点の対をもつ磁性細線を記載している。ここでは、いずれの外形線１２ａ、１２ｂも各極大点から構成される円３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）の外周上もしくはその外側に位置しており、より桁送りにおいて望ましい。また、上記円３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）の直径Ｄ_ｎは領域ごとに異なっていても構わない。

磁性細線の細線幅がほぼ一定の（平坦な）極大領域１９ａが存在する場合、第１極大点Ｂと第２極大点Ｂ’の取り方について図２８を参照して説明する。まず、図６（ａ）乃至（ｃ）と同様の方法にて点Ｂ_１および点Ｂ_２を取る。次に点Ｂ_１と点Ｂ_２の中点を通り、直線１４に垂直方向の直線１７ａ１を引き、直線１７ａ１と外形線の交点を第１極大点Ｂとする。第２極大点Ｂ’の取り方も同様である。すなわち、点Ｂ_１’と点Ｂ_２’の中点を通り、直線１４に垂直方向の直線１７ｂ１を引き、直線１７ｂ１と外形線の交点を第１極大点Ｂ’とする。

（シミュレーション結果）
次に、磁性細線１０中の磁壁の移動について図７（ａ）乃至図８（ｄ）を参照して説明する。

本発明者達は、磁性細線１０の形状を適切に設定して、複数のビットの一斉移動が可能になることを初めて見出した。以下、磁性細線１０の形状を変えて、複数のビットの移動距離をシミュレーションにより求めた結果について説明する。このシミュレーションは、磁化のダイナミクスを記述するモデルであるLandau-Lifshitz-Gilbert方程式を数値的に解く方法を用いて行った。これにより、複数の磁区が導入されている磁性細線１０に対して第１方向に電流を流したときの磁壁の位置と内部構造の時間変化を求めることができる。このシミュレーションにおいては、磁性細線１０の形状を図７（ａ）、７（ｂ）に示したように、細線の最小幅Ｗ’を１０ｎｍに固定し、細線幅の極小位置から隣接する極小位置までの距離（磁区の長さ）Ｌ_ｐを３６ｎｍとし、膜厚を１５ｎｍとし、磁性細線１０の第１方向における長さを１４４ｎｍとした。ただし、第１方向における長さは、周期的な境界条件としており、磁性細線１０の長さは、実質的に無限に長い場合を扱っている。また、磁性細線１０の幅方向の外形線１２ａの傾斜角度θを２４．０度から３７．０度の範囲に設定した形状とした。この角度θは、細線幅が極小となる２点を結ぶ線と、細線幅が極小点と極大点を結ぶ線のなす角であり、この傾斜角度θが４度以上３０度以下である場合は本実施形態になる。それぞれの場合における磁性細線１０の最大幅Wの値は表に示したように２６ｎｍから３８ｎｍの間である。

図７（ｂ）に示す実施例１おける傾斜角度θ＝２４．０度、図７（ｂ）に示す実施例２おける傾斜角度θ＝２９．０度はそれぞれ、本実施形態における、４度以上３０度以下の条件を満たしている。図７（ｂ）に示す比較例１における傾斜角度θ＝３３．７度、図７（ｂ）に示す比較例２における傾斜角度θ＝３７．９度はそれぞれ、４度以上３０度以下の範囲にはない。

また、磁性細線１０を構成する磁性材料は、飽和磁化の大きさが６００ｅｍｕ／ｃｍ^３で、異方性エネルギーが１．１×１０^７ｅｒｇ／ｃｍ^３で、交換スティフネスが１．０×１０^−６ｅｒｇ／ｃｍとし、膜厚方向に磁化容易軸を有するとした。なお、異方性エネルギーには標準偏差１０％の空間ばらつきが考慮されている。

上記実施例１、２および比較例１、２において、図１に示す電極２０、２２を介して磁性細線１０に流す電流値を７．５×１０^７Ａ／ｃｍ^２とし、電流を流して途中で切るという条件での磁壁の移動ダイナミクスをシミュレーションにより求めた。シミュレーション結果を図８（ａ）乃至８（ｄ）に示す。図８（ａ）乃至８（ｄ）はそれぞれ実施例１、実施例２、比較例１、比較例２の磁性細線において、細線幅が極小値を取る位置毎に磁壁が存在する初期状態に対して電流を流し、図中の矢印にて示した磁壁がおよそ３６ｎｍ移動した時点で電流を切った場合の磁化分布のスナップショットを時間順に示したものである。色の濃淡は磁化方向の磁化容易軸方向（紙面に垂直方向）成分を示しており、白色部あるいは黒色部は、その場所での磁化方向がそれぞれ磁化容易軸の正方向あるいは負方向であることを示す。

このシミュレーション結果からわかるように、傾斜角度θが３０度を超える場合には移動途中の磁壁が第１方向に垂直方向から大きく外れるため位置の制御が困難になる。比較例１、比較例２においては、初期状態にて存在していた複数の磁壁のうちのいくつかは移動中に消失しており、これは、ビット情報が失われてしまうことを意味する。この状態は電流を切るタイミングを多少変化させても本質的には変化しなかった。

これに対して、実施例１、実施例２においては、初期状態にて存在していた複数の磁壁が最終状態でもすべて保存されており、磁壁の移動が正確に行われたことを意味する。

以上のシミュレーション結果は、一例であるが、飽和磁化の大きさや異方性エネルギーの大きさなどの物性値が異なる系においても、一般的に、傾斜角度θが３０度以下である磁性細線においては、移動中の磁壁の形状の乱れが一定範囲内に抑えられ、磁壁の移動位置をパルス電流によって正確に制御することが可能となる。

次に、傾斜角度が４度以上あれば複数個の磁壁を一斉に制御できる理由を別のシミュレーション結果に基づいて説明する。

本シミュレーションは図９に示すように、外形線１２ａ、１２ｂが第１方向に対して傾斜角度θの勾配を持つような磁性細線１０において、電流を流さない状態での磁壁の移動ダイナミクスをLandau-Lifshitz-Gilbert方程式を数値的に解く方法を用いて行った。

磁性細線１０を構成する磁性材料は、飽和磁化の大きさが６００ｅｍｕ／ｃｍ^３で、異方性エネルギーが８×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３で、交換スティフネスが１．０×１０^−６ｅｒｇ／ｃｍとし、膜厚方向に磁化容易軸を有するものとした。

図１０（ａ）乃至１０（ｄ）はそれぞれ、実施例３、実施例４、比較例３、比較例４におけるシミュレーション結果を示す図である。実施例３、実施例４、比較例３、比較例４は、傾斜角度θが４．５７度（実施例３）、４．００度、３．４８度、２．８６度となる磁性細線である。図１０（ａ）乃至１０（ｄ）は、さまざまな初期状態を持つ磁壁を放置した場合の位置変化を示している。このシミュレーションは、磁性細線１０中を移動する磁壁が電流を切られた後、どの方向に移動するかを模擬したものと解釈される。なお、図９に示すように、磁性細線１０の幅が狭くなる方向を位置の正方向としている。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）からわかるように、実施例３、実施例４のように、傾斜角度θが４度以上の場合には、電流がなくても磁壁の移動方向は初期状態に依らず一意に決まる。すなわち、細線幅が小さくなる方向に移動する。これは、一般に、磁壁の垂直磁気異方性エネルギーの総和が磁壁領域の体積に概ね比例することを考慮すると、細線幅が小さくなる位置に磁壁が移動することによって、垂直磁気異方性エネルギーの消費を低減することができるため、と考えられる。

これに対し、図１０（ｃ）に示す比較例３、図１０（ｄ）に示す比較例４においては、磁壁が一方向に移動しない。これらの例は、傾斜角、したがって細線幅の位置依存性が十分でない場合に、磁壁の位置が変化しても垂直磁気異方性エネルギーの利得を十分に得られないことを示している。

以上のシミュレーション結果からわかるように、本発明者達は、飽和磁化の大きさや磁気異方性エネルギーの大きさなどの物性値に依らず、傾斜角θが４度以上ある磁性細線において、電流パルスの形状のばらつきなどが仮に存在したとしても、電流を切った後、位置を自己修正することが可能であり、複数の磁壁位置の一斉制御が可能になることを見出した。

さらに、他のシミュレーション結果を図２９（ａ）、２９（ｂ）に示す。このシミュレーションは、図２９（ａ）にて実線で示したような外形線を持つ磁性細線１０に磁区を導入した状態を初期条件として与え、第１方向に電流を流したときの磁壁のダイナミクスをLandau-Lifshitz-Gilbert方程式を数値的に解く方法により行った。また、図３０（ａ）乃至３０（ｄ）および図３１（ａ）乃至３１（ｃ）において、図２９（ａ）、２９（ｂ）における寸法Ｌｐ、Ｗ、Ｌｈ、Ｌｖおよび傾斜角度θの値を図２９（ｂ）に示す値に設定した場合の、移動中の磁壁３２の位置と形状の例を示す。図２９（ｂ）には、シミュレーションに用いた磁性細線１０の膜厚ｔと磁性材料の飽和磁化Ｍｓと異方性エネルギーＫｕの値も示されている。また、図２９（ａ）、２９（ｂ）および図３０（ａ）乃至３０（ｄ）および図３１（ａ）乃至３１（ｃ）において破線で示した円弧３０_ｃは、上述した、第１極大点と第２極大点を結ぶ線分を直径とする半円を示す。図３０（ａ）乃至３０（ｄ）に示した例は、実施例５乃至実施例８であり、これらの例では傾斜角度θが４度以上３０度以下の範囲にある。図３１（ａ）乃至３１（ｃ）に示した例は、比較例５乃至比較例７であり、これらの例では傾斜角度θが３０度を越えている。

実施例５乃至実施例８は、磁壁３２の一斉制御が可能であるが、この中でも、実施例５は実施例６乃至実施例８と比べて、移動中においても磁壁３２内の磁化方向３４が一様であるとともに、磁壁３２が第１方向に垂直な方向を維持しており、さらに望ましい例である。実施例５の磁性細線１０の形状の特徴として、外形線１２ａ、１２ｂが第１極大点と第２極大点を結ぶ線分を直径とする円の外部にあること、第１方向に直交する方向の寸法Ｗが６０ｎｍ以下であることが挙げられる。外形線１２ａ、１２ｂの少なくとも一部が第１極大点と第２極大点を結ぶ線分を直径とする円の外部にあると、移動中の磁壁３２の方向が第１方向に垂直な方向を維持し易くなり、磁壁３２の移動速度のばらつきを抑えられるため望ましい。また、図３０（ａ）乃至３０（ｃ）から分かるように、第１方向に直交する方向の寸法Ｗが６０ｎｍ以下であると、磁壁３２の内部で磁化方向３４が一様になり易く、磁壁３２の移動速度のばらつきを抑えられるため望ましい。

図３１（ａ）、３１（ｂ）に示した比較例５、比較例６においては、傾斜角度θが３０度を越えていることに加えて、第２方向の磁性細線の寸法Ｗが６０ｎｍを超えており、移動中の磁壁３２の湾曲が顕著であることから、一斉制御が困難になる。また、図３１（ａ），３１（ｃ）に示した比較例５、比較例７においては、傾斜角度θが３０度を越えていることに加えて、磁性細線の外形線１２ａ、１２ｂが第１極大点と第２極大点を結ぶ線分を直径とする円３０_ｃの内部に存在することから、移動中の磁壁３２の回転が顕著になり、一斉制御が困難になる。

（書き込みおよび読み出し）
次に、本実施形態に磁気記憶素子１の書き込みおよび読み出しについて図１１乃至図１３を参照して説明する。

図１１に示すように、書き込み部２６は、非磁性層２６１と、磁化方向が固定された強磁性層２６２と、電極２６３とがこの順序で積層された構造を有し、磁性細線１０に接続される。電極２６３には図示しない信号源が接続される。書き込み時には、信号源から電極２６３に電位を加える。すると、磁性細線１０を介して電極２６３と電極２７との間に電子が流れる。電子流が強磁性層２６２から磁性細線１０に向かって流れる際に、強磁性層２６２の磁化の向きにスピン偏極した電子流が流れる。このスピン偏極した電子流により、磁性細線１０の磁化方向が強磁性層２６２の磁化方向と同じ方向になる。磁性細線１０の磁化方向が強磁性層２６２の磁化方向と逆方向（反平行）にするには、電極２７から磁性細線１０を介して非磁性層２６１、強磁性層２６２、電極２６３に電子流を流す。なお、書き込みは電極２２と書き込み部２６の電極２６３との間で電子流を流すことによって行ったが、磁性細線１０を挟んで書き込み部２６と反対側に図示しない下部電極を設け、磁性細線１０を介して上記下部電極と電極２６３との間に電子流を流すことによって行ってもよい。

また、読み出し部２４は、非磁性層２４１と、磁化方向が固定された強磁性層２４２と、電極２４３とがこの順序で積層された構造を有し、磁性細線１０に接続される。磁性細線１０の読み出し部２４が接続する磁区の磁化方向が強磁性層２４２の磁化方向と同じ方向（平行）の場合には、電極２４３と電極２２との間が高抵抗状態となる。一方、磁性細線１０の読み出し部２４が接続する磁区の磁化方向が強磁性層２４２の磁化方向と反対方向（反平行）の場合には、電極２４３と電極２２との間が低抵抗状態となる。そこで、この抵抗変化を読み取ることで、記録された情報を読み出すことができる。このように、読み出しは、読み出し部２４と電極２７との間の磁性細線１０に電流を流すことにより行うので、読み出し部２４と電極２７は、近接して設けることが好ましい。また、電極２７は書き込みと読み出しの両方に兼用の電極であったが、別々に設けてもよい。なお、読み出しは電極２７と読み出し部２４の電極２４３との間で電流を流すことによって行ったが、磁性細線１０を挟んで読み出し部２４と反対側に図示しない下部電極を設け、磁性細線１０を介して上記下部電極と電極２４３との間に電子流を流すことによって行ってもよい。

（磁壁の移動手順）
本実施形態の磁気記憶素子１において、後述する磁壁移動手順により磁性細線１０内に記憶されたビットデータの順序を変えることなく移動することが可能である。したがって、書き込み、読み出しを行う前に、予め必要な距離だけ磁壁の位置を移動させることにより、任意のビットデータ位置について書き込みおよび読み出しを行うことが可能である。

本実施形態の磁気記憶素子１において、磁性細線１０内に含まれる複数の磁壁を第１方向に意図した距離だけ移動させる方法について説明する。この方法は、図１２に示すパルス電流を用いて行う。図１２に示すように時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの間、電極２０と電極２２との間に電流を流すステップＳ１と、その後、時刻ｔ_２から時刻ｔ_３までの間、電流を切り、待機するステップＳ２と、を含む。パルス波形の一例は図１２に示す矩形パルスであるが、この例に限らない。有限の立ち上がり時間、立下り時間、オーバーシュート等を有する波形であっても構わない。

これらのステップＳ１、Ｓ２により磁性細線１０内で起こる磁化分布の変化を、図１３に模式的に示す。時刻ｔ＝ｔ_１における磁性細線１０内の一部領域の磁化方向分布を図１３（ａ）に示す。この磁性細線１０では、磁化容易軸は紙面に垂直方向であり、各磁区内での磁化方向は紙面に垂直に奥から手前に向かう方向か、あるいは、手前から奥に向かう方向のいずれかである。この時点（ｔ＝ｔ_１）では、磁壁は細線幅が極小になる位置の近傍に存在する。これは、垂直磁化材料からなる磁性細線１０において、磁壁のエネルギーは主に磁気異方性に起因するエネルギーが占めているため、磁壁の体積が小さい方がエネルギー的に安定となるためである。磁壁の中心における磁化方向は磁化容易軸方向に垂直であり、この図１３（ａ）では紙面内のいずれかの方向である。図１３（ａ）に示した例では、第１方向に垂直な方向を向いたブロッホ型磁壁が安定となっている。

図１に示す電極２０と電極２２との間の磁性細線１０に電流を流す（ステップＳ１）と、磁性細線１０中を流れる電流がスピン偏極され、磁性細線１０を構成する磁区の磁化と隣接する磁区の磁化との間にスピントルクが働く。このため、磁性細線１０内の磁壁は、ほぼ一様に移動する。磁壁の移動方向は電子の進む向きに等しい。すなわち、電流の流れる方向と逆方向である。電流を切る時点（ｔ＝ｔ_２）での磁性細線１０における磁化分布を図１３（ｂ）に示す。製造上生じる形状ばらつきや磁気物性値のばらつきが存在するため、各磁壁の時刻ｔ_１から時刻ｔ_２までの移動距離は完全には等しくない。しかし概ね一致しており、ｔ＝ｔ_２において、各磁壁は細線幅が極小になる位置の近傍に存在している。磁壁が磁性細線１０内を進む際に磁壁の中心における磁化方向は回転し、かつ、その回転速度はばらつきに敏感なため、電流を切る時点で磁化方向はランダムである。

電流を切り、しばらく待機すると（時刻ｔ_２〜ｔ_３）、図１３（ｃ）に示すように状態が緩和し、磁壁の位置は細線幅が極小の位置に修正され、また、磁壁中心での磁化角度は安定状態に落ち着く。図１３（ａ）乃至１３（ｃ）に示した磁性細線は、ブロッホ磁壁状態となっている。つまり、本実施形態のように、細線幅が変化する磁性細線において、十分な緩和時間を設けることにより、上記のような調整機構が働き、磁壁の位置を細線幅の極小位置と対応付けることが可能とされる。

磁性細線１０中の磁壁において、磁壁の中心位置での磁化方向が第１方向に沿う、いわゆるネール型磁壁になる場合を図１４（ａ）乃至１４（ｃ）に示す。この場合もブロッホ型磁壁の場合と同様に、磁壁移動が開始されると磁壁の中心での磁化方向は回転し、電流を切ると再びネール型磁壁となる。

次に、磁壁が移動する際における磁壁が落ち着くまでの待機時間（緩和時定数）について説明する。電流を切ってもしばらくの時間は、磁壁の中心での磁化方向の回転は続き、この緩和時定数ｔ_ｒはｔ_ｒ＝Ｌ_ｄｗ／（２αｕ_ｃ）と表されことが知られている。ここで、Ｌ_ｄｗは第１方向における磁壁の長さ（磁壁幅ともいう）である。αは磁性細線１０のダンピング定数であり、磁性体を構成する材料に依存するが、大きなものでも０．１程度である。また、ｕ_ｃは電流による磁壁移動で得られる最低移動速度（時間平均値）である。

したがって、ダンピング定数αが大きい材料は待機時間を短くしても状態緩和されるため、高速動作に適した好ましい材料である。０．１程度のダンピング定数αを持つ磁性材料として、例えば希土類と遷移金属の合金がある。

これに対し、磁壁が細線幅の極小位置から細線幅の次の極小位置まで移動するのに要する最大時間は、細線幅の極小位置から細線幅の次の極小位置までの第１方向における長さＬ_ｐと、最低速度ｕ_ｃを用いて、Ｌ_ｐ／ｕ_ｃと表される。

一実施例として、磁性細線１０として、異方性エネルギーＫｕ＝２．０×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３、交換スティフネスＡ＝０．４×１０^−６ｅｒｇ／ｃｍ、ダンピング定数０．１である、希土類と遷移金属の合金を用い、細線幅の隣接する極小位置間の距離Ｌ_ｐ＝４０ｎｍ、磁壁の移動速度ｕ＝５ｍ／ｓとした場合、電流導入時間ｔ_ｐがＬ_ｐ／ｕ＝８ｎｓとなる。これに対して、待機時間ｔ_ｗを１０ｎｓとすれば、物質パラメータから決まる緩和時定数ｔ_ｒ＝９ｎｓよりも長いため、待機時間としては十分な長さである。

一般に、待機時間を電流導入時間より長くとることにより、磁壁の状態を安定状態に緩和させることが可能となり、磁性細線１０内に含まれる多数の磁壁を一斉に移動させる動作の信頼性を確保することができる。

（磁性材料）
次に、第１実施形態による磁気記憶素子１の磁性細線１０の材料について説明する。磁性細線１０には、磁化方向が磁性細線１０の延在する方向（図２に示す第１方向）に対して直交する方向（図２に示す第２方向または第３方向）に向きうる各種の磁性材料を用いることができる。磁性細線１０が基板面に対して垂直方向に形成される場合には、磁化方向を磁性細線１０に対して垂直方向に向けるために、磁気異方性の磁化容易軸が磁性細線の膜面内方向にあることが必要である。磁性細線１０が基板面と平行方向に形成される場合には、磁気異方性の磁化容易軸が膜面に垂直方向にあることが必要となる。一般に、磁化方向が磁性細線１０の延在する方向（第１方向）に対して直交方向（短軸）を向く場合のほうが、磁性細線１０の延在する方向（第１方向）を向く場合よりも反磁界が大きい。このため、磁化方向を第１方向に対して直交する方向に向けるには、反磁界に打ち勝つ十分な大きさの磁気異方性が必要とされる。そのため、磁気異方性エネルギーＫｕが大きい材料を用いることが好ましい。

磁気異方性エネルギーＫｕが大きい材料として、以下のような材料を用いることができる。鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された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）、ロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素との組み合わせによる合金がある。例として、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄなどが挙げられる。磁気異方性エネルギーＫｕの値については、磁性層を構成す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することができる。

また、ｈｃｐ構造（最密六方構造）の結晶構造を持ち、磁性細線１０の延在する方向（第１方向）に対して直交する磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Ｃｏ、ＣｏＰｔや、ＦｅＰｔ、（Ｃｏ／Ｎｉ）の積層膜、などが挙げられる。コバルト（Ｃｏ）を主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。

希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、細線方向に対して垂直の磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。これらはアモルファスであっても構わない。例えば、ＴｂＦｅの場合、Ｔｂが２０ａｔｏｍｉｃ％以上４０ａｔｏｍｉｃ％以下である場合には、ＴｂＦｅは垂直異方性を示す。さらに、上記材料群いずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。

磁性細線１０が基板に対して垂直方向に形成される部分を含むことが好ましい。なぜなら、この場合、例えば、磁性細線１０の第１方向の長さが短くなるように形成することが可能となり、磁性細線１０内に記憶することのできるデータ量を大きくすることが可能となるためである。

また、磁性層に用いられるこれらの磁性体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈなどの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節することや、その他、結晶性、機械特性、化学的特性などの各種物性を調節することができる。

書き込み部２６および読み出し部２４の強磁性層２６２、２４２の材料として磁性細線１０と同様の材料を使うことができる。また、強磁性層２６２、２４２は磁性細線１０のような大きなアスペクト比を持たないため、反磁界は大きくない。したがって磁気異方性エネルギーが磁性細線１０に用いる磁性材料と比べて小さな磁性材料を用いてもよい。例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、またはこれらを含む合金を用いることができる。また、強磁性層２６２，２４２の厚さは、０．６ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。強磁性層２６２の材料のスピン分極率が高いほど書き込みに必要な電流を低減化することができるため、スピン分極率の高い材料を用いることが望ましい。また、強磁性層２４２の材料のスピン分極率が高いほど読み出し時の抵抗変化値が大きくなり、読み出しが容易になるため、スピン分極率の高い材料を用いることが望ましい。したがって、ハーフメタルと呼ばれる高スピン分極率材料は、理想的な材料である。ハーフメタルの例として、ホイスラー系合金、ルチル型酸化物、スピネル型酸化物、ペロブスカイト型酸化物、二重ペロブスカイト型酸化物、閃亜鉛鉱型クロム化合物、パイライト型マンガン化合物、センダスト合金が含まれる。

書き込み部２６および読み出し部２４の非磁性層２６１、２４１の材料としては、非磁性金属あるいは絶縁性の薄膜を用いることができる。非磁性金属としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれか、あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性層２６１、２４１の厚さは、強磁性層２６２、２４２と磁性細線１０の静磁結合が十分小さく、かつ、非磁性層２６１、２４１のスピン拡散長より小さくする必要があり、具体的には、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

非磁性層２６１、２４１として用いることのできる絶縁性材料として、磁気抵抗効果を大きくするには、非磁性層２６１、２４１の材料を、トンネルバリア層として機能させることが効果的である。この場合、非磁性層２６１、２４１の材料としてＡｌ_２０_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体などを用いることができる。上記非磁性半導体としては、例えば、ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_２、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたものなどを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁材料からなる非磁性層２６１、２４１の厚さは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。非磁性層２６１、２４１が絶縁材料である場合、その内部にピンホールが存在してもよい。

（製造方法）
次に、第１実施形態による磁気記憶素子１の製造方法について図１５（ａ）乃至１５（ｃ）を参照して説明する。磁気記憶素子１は、成膜技術と微細加工技術によって作製される。磁気記憶素子１の具体的な製造工程の一例は以下の通りである。

まず、図１５（ａ）に示すように、上面に絶縁膜１００が形成されたウェーハ（図示せず）を用意し、この絶縁膜１００上に、磁性層２１０、非磁性層２７０、磁性層２８０、電極膜２９０を、この順序で成膜する（図１５（ａ））。磁性層２１０は、磁性細線１０となる。また、非磁性層２７０の材料としては、例えばＭｇＯを用い、この非磁性層２７０が、読み出し部２４および書き込み部２６の非磁性層２４１および非磁性層２６１となる。

磁性層２８０は、読み出し部２４および書き込み部２６の強磁性層２６２および強磁性層２６２となる。また、電極膜２９０としては、例えばＴａを用い、読み出し部２４および書き込み部２６の電極２４３および２６３となる。磁性層２１０、非磁性層２７０、磁性層２８０、および電極膜２９０が積層されたウェーハを磁場中の真空炉に入れ、例えば２７０℃、１０時間の条件下で、磁場中でアニールすることにより、磁性層２１０、２８０に一方向異方性を付与する。その後、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、電極膜２９０、磁性層２８０、非磁性層２７０、および磁性層２１０を、磁性細線１０の平面形状にパターニングする（図１５（ａ））。

次に、リソグラフィー技術とＲＩＥ（Reactive Ion Etching）とを用いて、電極膜２９０、磁性層２８０、および非磁性層２７０を、磁性細線１０の平面形状にパターニングし、読み出し部２４および書き込み部２６を形成する（図１５（ｂ））。続いて、層間絶縁膜２９５を堆積した後、この層間絶縁膜２９５をＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）を用いて平坦化し、読み出し部２４および書き込み部２６のそれぞれの電極２４３および２６３の上面を露出させる（図１５（ｂ））。

次に、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、層間絶縁膜２９５に、磁性細線１０に接続するコンタクトホール形成し、このコンタクトホールを導電膜材料で埋め込むことにより、電極２０、２２を形成する（図１５（ｃ））。これにより、磁気記憶素子が完成する。

（磁性細線の形状）
磁性細線１０は、様々な形状を有することができる。例えば、図１８（ａ）、１８（ｂ）に示す磁性細線１０は、細線幅が極小になる位置から第１方向に沿って細線幅が次に極小になる位置までの距離Ｌ_ｐが場所によって変化する例である。図１８（ａ）の例は、磁性細線１０が、少なくとも一部において、距離Ｌ_ｐの大きさが第１方向の位置によって異なる例を示す。図１８（ｂ）の例は、磁性細線１０の少なくとも一部において、距離Ｌｐの大きさが第１方向に沿って単調に長くなる例を示している。なお、第１方向に沿って単調に短くなるように構成してもよい。

磁性細線１０の一部領域であって、その第１方向の長さが１μｍ以下の領域において、図１８（ａ）に示したように距離Ｌ_ｐの大きさが第１方向の位置によって異なるのが好ましい。このような特徴を有する磁性細線１０においては、幅が極小になる位置からその次に幅が極小になる位置まで磁壁が一斉に移動する毎に、隣接する２つの磁壁の間の距離が変化する。このような変化があることにより、移動途中での隣接磁壁間の相互作用の大きさが変動し、磁壁間相互作用のためにビットが消失したり移動が阻害される可能性が減る。

磁性細線１０の第１方向の長さが１μｍを超える場合、電流パルス導入直後に磁性細線１０に流れる過渡電流の大きさが磁性細線１０中の場所によって異なる。このため、磁性細線１０中の位置によって磁壁の移動距離に違いが出る場合がある。この場合には、電極２０または電極２２に比較的近い第１範囲内での距離Ｌ_ｐの平均値を第１範囲より上記電極から遠い位置にある第２範囲内での距離Ｌ_ｐの平均値よりも大きくとることにより、磁壁の移動距離の違いを調整することができるため好ましい。 また、磁性細線１０は、図１９（ａ）に示すように、磁性細線１０の幅方向（第２方向）は変化するが、厚さ方向（第３方向）の表面は平坦であるように構成してもよい。また、磁性細線１０は、図１９（ｂ）に示すように、図１９（ａ）に示す例よりも厚さを厚くするように構成してもよい。

また、磁性細線１０は、図２０（ａ）乃至２０（ｃ）に示すように、第２方向と第３方向がともに第１方向に沿って変化する形状を有していてもよい。

また、磁性細線１０は、図２１（ａ）乃至２１（ｃ）に示すように、磁性細線１０を構成する磁性体が複数のサブレイヤーからなる積層構造を有していてもよい。また積層構造を有する場合、非磁性体からなる非磁性サブレイヤーを含んでいてもよい。非磁性サブレイヤーには、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｏｓ、あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。非磁性サブレイヤーを有する場合、非磁性サブレイヤーを挟む２つの磁性サブレイヤー間に強磁性的な結合をもたらす場合と、反強磁性的な結合をもたらす場合がありうる。磁性サブレイヤー間の結合の符号および大きさは非磁性サブレイヤーを構成する材料や、非磁性サブレイヤーの膜厚によって変化する。とくに、反強磁性結合部を含む積層構造を人工反強磁性構造と呼ぶ。強磁性サブレイヤー間の結合を得るために非磁性サブレイヤーの膜厚は０．５ｎｍから１０ｎｍの範囲とするのがよい。磁性細線１０が積層構造を有する場合、あるいは、磁性細線１０が希土類と遷移金属の合金をはじめとするフェリ磁性体を含む場合は、実効的な交換相互作用が小さいため、磁壁の幅が狭くなる。磁壁の位置エネルギーは磁壁幅にわたる異方性エネルギーの総和が大部分を占めるため、磁壁の幅が狭くなる材料においては、本実施形態の磁気記憶素子１における、細線幅の空間変調に対して敏感に移動する。したがって、本実施形態の効果が顕著に現れるため好ましい。また、磁性細線１０がフェリ磁性体を含む場合や人工反強磁性構造を有する場合は、磁性細線１０の実質的な磁化の大きさが小さくなるため、スピントルクの伝達効率が増し、したがって、磁壁および磁区を移動するのに必要な電流値を下げられる、というメリットがある。

以上説明したように、第１実施形態によれば、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶素子を提供することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による磁気記憶素子１を図２２（ａ）、２２（ｂ）に示す。図２２（ａ）は、第２実施形態の磁気記憶素子１の基板に垂直な面で切断した断面図であり、図２２（ｂ）は図２２（ａ）に示す破線部分Ｙの上面図である。

第２実施形態の磁気記憶素子１は、磁性細線１０の全域に渡って、延在する第１方向が１つの直線に沿っておらず、第１方向が折れ曲がる場所が存在する。例えば、第１方向が基板面に対して垂直になる部分と、第１方向が基板面に沿う部分を含んでいる。第１方向が基板面に対して垂直になる部分は、図２２（ａ）において幅方向に平行な断面が表示され、第１方向が基板面に沿う部分は、図２２（ａ）において厚さ方向の断面が表示されている。図２２（ｂ）は、第１方向が基板面に沿う部分における幅方向に平行な面を表示している。

この第２実施形態の磁気記憶素子１における磁性細線１０の形状は、第１実施形態で説明したと同様の形状を有している。

この第２実施形態も第１実施形態と同様に、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶素子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記憶装置について図２３および図２４を参照して説明する。第３実施形態の磁気記憶装置の回路図を図２３に示し、斜視図を図２４に示す。

第３実施形態の磁気記憶装置５００はメモリセルアレイ３００を有している。このメモリセルアレイ３００は、マトリクス状の配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、第１乃至第２実施形態のいずれかの磁気記憶素子１と、例えば、トランジスタからなるスイッチング素子３２０とを備えている。また、メモリセルアレイ３００には、各行に設けられたワード線ＷＬ_１〜ＷＬ_ｍと、各列に設けられた情報読み出し用ビット線ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎと、が設けられている。

第ｉ（１≦ｉ≦ｍ）行のｎ個のメモリセルの磁気記憶素子１はそれぞれ、磁性細線１０が共通に接続されて磁性細線ＭＬ_ｉとなる。なお、各磁気記憶素子１の磁性細線１０は共通に接続されなくてもよい。また、各メモリセルのスイッチング素子３２０は、ゲートが対応する行のワード線ＷＬ_ｉ（１≦ｉ≦ｍ）に接続され、一端が同じメモリセル内の磁気記憶素子１の読み出し部２４の一端に接続され、他端は接地される。メモリセル内の磁気記憶素子１の読み出し部２４の他端は、上記メモリセルに対応するビットＢＬ_ｊ（１≦ｊ≦ｎ）に接続される。

このように複数の磁気記憶素子１の磁性細線１０が接続された場合、磁性細線１０に電流を流すための電極（第１実施形態で説明した電極２０、２２）は、磁気記憶素子１ごとに設けられていなくても良く、磁性細線１０の一端に電極２０が設けられ、他端に電極２２が設けられてもよい。

これらのワード線ＷＬ_１〜ＷＬ_ｍおよび磁性細線ＭＬ_１〜ＭＬ_ｍは、各配線を選択するデコーダ、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ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎは、各配線を選択するデコーダ、読み出し回路等を備えている駆動回路４２０Ａ、４２０Ｂに接続されている。なお、図２３および図２４においては、磁気記憶素子１の書き込み部を省略して、図示していない。書き込み部は、一端が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、他端が図示しない電流源に接続される。そして、書き込み用のスイッチング素子と、読み出し用のスイッチング素子は共通に用いてもよい。また、複数のメモリセルに対して１個の読み出し部および１個の書き込み部を設けてもよい。この場合は、集積度を高めることができる。また、図２３および図２４に示すように、各メモリセルに１個の読み出し部２４および１個の書き込み部を設けた場合は、データの転送速度を高めることができる。

次に、本実施形態に係るメモリセルアレイ内での磁壁の移動について説明する。まず外部から入力されたアドレス信号を駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂ内のデコーダがデコードし、デコードされたアドレスに応じた磁性細線ＭＬが選択され、この選択された磁性細線ＭＬに電流を流す第１手順と、上記電流を切り、一定時間待機する第２手順とにより磁壁の移動（すなわち、データのシフト移動）が行われる。

このようにメモリセルアレイ内での磁壁を移動させる方法によると、メモリセルアレイの同一行に属し、磁性細線ＭＬ_ｉに接続される複数の磁気記憶素子１において、同時にデータ保存位置が移動することになる。このように、磁気記憶素子１が端部に位置する第１磁性層を他の磁気記憶素子と共有して、複数の磁気記憶素子を接続すると、データの移動を１つの電流源により一括して行うことができる。このため、メモリセルアレイ３００全体の電力消費を抑制することができる。なお、磁壁が移動する方向は、電子の流れる向きと同じ、すなわち電流の流れる方向と逆になる。

メモリセルへの書き込みは、まず、まず外部から入力されたアドレス信号を駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂ内のデコーダがデコードし、デコードされたアドレスに応じたワード線ＷＬが選択され、対応するスイッチング素子３２０をオンする。次いで、ビット線ＢＬに電流を流すことにより、書き込みが行われる。あるいは、該当する磁性細線ＭＬ中に保存されたデータを必要な分移動させた後、書き込みを行う。

メモリセルに保存されたデータの読み出しは、まず、まず外部から入力されたアドレス信号を駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂ内のデコーダがデコードし、デコードされたアドレスに応じた磁性細線ＭＬが選択され、メモリセル内に磁化方向として保存されたビット列のうち、読み出したいビットが読み出し部に位置に来るようにデータのシフト移動を上述した方法で行う。その後、ワード線ＷＬを選択し、スイッチング素子３２０をオンとし、ビット線ＢＬに電流を流すことにより、読み出しを行う。なお、読み出し電流は、その向きが正であっても負であってもよいが、書き込み電流の絶対値よりも小さな絶対値を有している。これは、読み出しによって保存されたデータが反転しないためである。

第３実施形態によれば、第１または第２実施形態の磁気記憶素子を用いているので、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶装置を提供することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態の磁気メモリを図２５に示す。この第４実施形態の磁気メモリは、第３実施形態の磁気記憶装置５００を基板６００上に複数個マトリクス状に配置した構成を有している。このような構成とすることにより、大容量の磁気メモリを実現することができる。

第４実施形態によれば、第１または第２実施形態の磁気記憶素子を用いているので、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶装置を提供することができる。

なお、本明細書を通じて「垂直」には製造工程のばらつき等による厳密な垂直からのずれが含まれるものとする。同様に、本明細書を通じて、「平行」、「水平」は、厳密な平行、水平を意味するものではない。

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。

１ 磁気記憶素子
１０ 磁性細線
１２ａ 外形線
１２ｂ 外形線
１４ 磁性細線内の直線
２０ 電極
２２ 電極
２４ 読み出し部
２６ 書き込み部

Claims (19)

1. 磁区を有する磁性細線と、
   前記磁性細線に接続され前記磁性細線に電流を流す一対の電極と、
   前記磁性細線に接続され前記磁区に磁化情報を書き込む書き込み部と、
   前記磁性細線に接続され前記磁区の磁化情報を読み出す読み出し部と、
   を備え、
   前記磁性細線は前記磁性細線が延在する第１方向に直交する方向に磁化方向を有し、
   前記第１方向と直交する第２方向と前記第１方向とによって決定される平面で切断した前記磁性細線の断面が第１および第２外形線を有し、
   前記第１外形線は、前記磁性細線内の前記第１方向に平行な仮想直線からの距離が極小となる第１極小点と、この第１極小点と異なる、前記仮想直線からの距離が極小となる第２極小点と、前記第１極小点と前記第２極小点との間で前記仮想直線からの距離が最大となる第１極大点とを有し、
   前記第１極小点と前記第２極小点とを結ぶ第１直線と、前記第１極小点と前記第１極大点とを結ぶ第２直線または前記第２極小点と前記第１極大点とを結ぶ第３直線との成す角度が４度以上３０度以下である磁気記憶素子。
2. 前記第２外形線は、前記仮想直線からの距離が極小となる第３極小点と、この第３極小点と異なる、前記仮想直線からの距離が極小となる第４極小点と、前記第３極小点と前記第４極小点との間で前記仮想直線からの距離が最大となる第２極大点とを有し、
   前記第３極小点と前記第４極小点とを結ぶ第４直線と、前記第３極小点と前記第２極大点とを結ぶ第５直線または前記第４極小点と前記第２極大点とを結ぶ第６直線との成す角度が４度以上３０度以下である請求項１記載の磁気記憶素子。
3. 前記磁性細線の前記第２方向における最大の長さが６０ｎｍ以下である請求項１または２記載の磁気記憶素子。
4. 前記第２外形線は前記第１外形線の前記第１極大点に対応する、前記仮想直線からの距離が最大となる極大点を有し、前記第１極大点とこの第１極大点に対応する前記第２外形線の極大点とを結ぶ線は前記第１方向に略直交し、
   前記第１外形線は、前記第１極大点とこの第１極大点に対応する前記第２外形線の極大点とを結ぶ前記線を直径とする円の外周より外側に位置する部分が存在する請求項１または２記載の磁気記憶素子。
5. 磁区を有する磁性細線と、
   前記磁性細線に接続され前記磁性細線に電流を流す一対の電極と、
   前記磁性細線に接続され前記磁区に磁化情報を書き込む書き込み部と、
   前記磁性細線に接続され前記磁区の磁化情報を読み出す読み出し部と、
   を備え、
   前記磁性細線は前記磁性細線が延在する第１方向に直交する方向に磁化方向を有し、
   前記第１方向と直交する第２方向と前記第１方向とによって決定される平面で切断した前記磁性細線の断面が第１および第２外形線を有し、
   前記第１外形線は、前記磁性細線内の前記第１方向に平行な仮想直線からの距離が極大となる第１極大点と、この第１極大点と異なる、前記仮想直線からの距離が極大となる第２極大点と、前記第１極大点と前記第２極大点との間で前記仮想直線からの距離が最小となる第１極小点とを有し、
   前記第１極大点と前記第２極大点とを結ぶ第１直線と、前記第１極大点と前記第１極小点とを結ぶ第２直線または前記第２極大点と前記第１極小点とを結ぶ第３直線との成す角度が４度以上３０度以下である磁気記憶素子。
6. 前記第２外形線は、前記仮想直線からの距離が極大となる第３極大点と、この第３極大点と異なる、前記仮想直線からの距離が極大となる第４極大点と、前記第３極大点と前記第４極大点との間で前記仮想直線からの距離が最小となる第２極小点とを有し、
   前記第３極大点と前記第４極大点とを結ぶ第４直線と、前記第３極大点と前記第２極小点とを結ぶ第５直線または前記第４極大点と前記第２極小点とを結ぶ第６直線との成す角度が４度以上３０度以下である請求項５記載の磁気記憶素子。
7. 前記磁性細線の前記第２方向における最大の長さが６０ｎｍ以下である請求項５または６記載の磁気記憶素子。
8. 前記第２外形線は前記第１外形線の前記第１極大点に対応する、前記仮想直線からの距離が最大となる極大点を有し、前記第１極大点とこの第１極大点に対応する前記第２外形線の極大点とを結ぶ線は前記第１方向に略直交し、
   前記第１外形線は、前記第１極大点とこの第１極大点に対応する前記第２外形線の極大点とを結ぶ前記線を直径とする円の外周より外側に位置する部分が存在する請求項５または６記載の磁気記憶素子。
9. 前記磁性細線内の前記磁区は、前記第１方向における長さが６ｎｍ以上２００ｎｍ以下である請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気記憶素子。
10. 前記磁性細線は、希土類元素と鉄族遷移元素との合金である請求項１乃至９のいずれかに記載の磁気記憶素子。
11. 前記第１外形線は前記仮想直線からの距離が極小となる極小点を複数個有し、前記第２外形線は前記第１外形線の各極小点に対応して前記第１方向の同じ位置に前記仮想直線からの距離が極小となる極小点を有し、前記第１外形線の隣接する極小点間の距離が前記第１方向の位置によって異なる請求１乃至１０のいずれかに記載の磁気記憶素子。
12. 前記磁性細線は、前記第１方向における長さが６ｎｍの領域において、細線幅変化率が１０％以上となる部分を有する請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気記憶素子。
13. 前記磁性細線は、前記第１方向における長さが６ｎｍの領域において、細線幅変化が１０ｎｍ以下である請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気記憶素子。
14. マトリクス状に配列された請求項１乃至１３のいずれかに記載の複数の磁気記憶素子と、
    前記複数の磁気記憶素子のそれぞれに対応して設けられた複数のスイッチングトランジスタであって、ソースおよびドレインのうちの一方が対応する列の磁気記憶素子内の読み出し部の一端に接続される、複数のスイッチングトランジスタと、
    行に対応して設けられた複数の第１配線であって、各第１配線には、対応する行の前記スイッチングトランジスタのゲートが接続される、複数の第１配線と、
    列に対応して設けられた複数の第２配線であって、各第２配線には、対応する列の前記記憶素子内の前記読み出し部の他端が接続される、複数の第２配線と、
    を備えている磁気記憶装置。
15. 請求項１４記載の磁気記憶装置を複数個備え、前記複数の磁気記憶装置がマトリクス状に配列されている磁気メモリ。
16. 請求項１乃至１３のいずれかに記載の磁気記憶素子の駆動方法であって、
    前記一対の電極を通して前記磁性細線に電流を第１の時間、流す第１ステップと、
    前記第１ステップの後に、前記電流を遮断し、前記第１の時間よりも長い第２の時間待機する第２ステップと、
    を備えている駆動方法。
17. 磁性細線を備え、
    前記磁性細線は前記磁性細線が延在する第１方向に直交する方向に磁化方向を有し、
    前記第１方向とこの第１方向に交差する第２方向とによって決定される平面で切断した前記磁性細線の断面が第１および第２外形線を有し、
    前記磁性細線は、前記第２方向の幅が極小となる第１部分と、この第１部分と異なる、前記第２方向の幅が極小となる第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間で前記第２方向の幅が最大となる第３部分とを有し、
    前記第１外形線は、前記第１部分における第１点と、前記第２部分における第２点と、前記第３部分における第３点とを有し、
    前記第１点と前記第２点とを結ぶ第１直線と、前記第１点と前記第３点とを結ぶ第２直線との成す角度が４度以上３０度以下である磁気記憶素子。
18. 磁性細線を備え、
    前記磁性細線は前記磁性細線が延在する第１方向に直交する方向に磁化方向を有し、
    前記第１方向とこの第１方向に交差する第２方向とによって決定される平面で切断した前記磁性細線の断面が第１および第２外形線を有し、
    前記磁性細線は、前記第２方向の幅が極大となる第１部分と、この第１部分と異なる、前記第２方向の幅が極大となる第２部分と、前記第１部分と前記第２部分との間で前記第２方向の幅が最小となる第３部分とを有し、
    前記第１外形線は、前記第１部分における第１点と、前記第２部分における第２点と、前記第３部分における第３点とを有し、
    前記第１点と前記第２点とを結ぶ第１直線と、前記第１点と前記第３点とを結ぶ第２直線との成す角度が４度以上３０度以下である磁気記憶素子。
19. 前記磁性細線の前記第２方向における最大の長さが６０ｎｍ以下である請求項１７または１８記載の磁気記憶素子。