JP6758617B2 - 積層磁性薄膜、積層磁性薄膜の製造方法、および磁気メモリ装置 - Google Patents

Description

本発明は、新規な磁気構造が形成された積層磁性薄膜、積層磁性薄膜の製造方法、および積層磁性薄膜を備えた磁気メモリ装置に関する。

従来、消費電力を低減させる観点から、記憶したデータを保持するための電力を必要としない不揮発性メモリの開発が進められている。不揮発性メモリとして、磁気モーメントの向き（磁性体の磁化方向）をデータの記憶に用いるＭＲＡＭ(Magnetic Random Access Memory)などの磁気素子が知られている。ＭＲＡＭに用いられる磁気素子（磁気抵抗効果素子）は、スペーサ層を挟んで、磁気モーメントの向きが固定された磁性層（固定層）と、外部磁場により磁気モーメントの向きが変化する磁性層（フリー層）とを備えており、フリー層の磁気モーメントの向きに応じて磁気抵抗素子の電気抵抗が変化する性質を利用して、データを読み書きするように構成されている。

一方、磁気素子に形成された磁気構造を電流駆動してデータを読み書きする研究が行われている。例えば、非特許文献１には、レーストラックメモリと称される、細長いワイヤ状の磁性体（磁気ナノワイヤ)に形成されたパターン状の磁区の境界（磁壁）を電流駆動してデータを磁壁移動型メモリが記載されている。磁壁移動型メモリでは、磁壁のサイズを充分に小さくすることにより、記憶されるデータの高密度化が期待されている。

ここで、磁気素子に形成される磁気構造として、垂直磁化膜に形成された円筒状の磁区である磁気バブルが知られている。垂直磁化膜は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が膜面に対して垂直な方向（面直方向）を向いたものである。磁気バブルは、面直方向であって垂直磁化膜の磁化方向とは逆向きに磁場を印加したときに形成される。

磁気バブルは、磁性体に形成される通常の磁壁よりも移動速度が大きいため、磁気バブルを用いた磁気バブルメモリは、通常の磁壁移動型メモリよりも小さい消費電力で動作することが期待されている。

Parkin, et al., Magnetic Domain-Wall Racetrack Memory, Science, 320, 190 (11 April 2008), doi:10.1126/science.1145799

しかし、磁気バブルを電流駆動した場合、その移動の安定性が低いため、磁気バブルメモリの動作も不安定になるか動作しないことが懸念されている。

本発明は、電流駆動により、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する磁気構造が形成された積層磁性薄膜を提供することを第１の課題とする。

本発明は、従来技術よりも小さい消費電力で安定して動作する不揮発性メモリを提供することを第２の課題とする。

本発明の第１の態様では、
面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第１磁性層および第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層とを備え、
前記第１磁性層および前記第２磁性層は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が薄膜面に対して垂直な方向を向いた垂直磁化膜であり、
前記第１磁性層および前記第２磁性層には、前記第１磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造が形成され、各磁性層における磁化方向も面直方向で互いに上下逆であり、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、積層磁性薄膜が提供される。

本発明の第２の態様では、
面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第１磁性層および第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁性層および前記第２磁性層は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が薄膜面に対して垂直な方向を向いた垂直磁化膜である、積層体を準備するステップと、
前記第１磁性層の一部にレーザ光を照射して局所的な加熱を行うステップと、
前記第１磁性層の磁化方向と逆向きに外部磁場を印加し、前記第１磁性層の一部で磁気モーメントを反転させて、前記第１磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造を前記第１磁性層および前記第２磁性層に形成するステップとを含み、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、積層磁性薄膜の製造方法が提供される。

本発明の第３の態様では、
上記の積層磁性薄膜と、
前記積層磁性薄膜にデータを書き込むための書込部と、
前記積層磁性薄膜に書き込まれたデータを読み出すための読出部とを備え、
前記書込部は、前記第１磁性層および前記第２磁性層に、前記第１磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造を形成するように構成され、
前記読出部は、前記積層磁性薄膜に前記一対の渦状磁気構造が各磁性層における磁化方向も面直方向で互いに上下逆に存在するか否かを、１ビットのデータとして読み出すように構成され、
各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、磁気メモリ装置が提供される。

本発明の第１の態様によれば、電流駆動により、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する一対の渦状磁気構造が形成された積層磁性薄膜を得ることができる。

本発明の第２の態様によれば、電流駆動により、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する一対の渦状磁気構造が形成された積層磁性薄膜を容易に得ることができる。

本発明の第３の態様によれば、従来の磁気構造よりも安定して高速で移動する一対の渦状磁気構造が積層磁性薄膜に形成されていることにより、従来技術よりも小さい消費電力で安定して動作する不揮発性のメモリ装置を得ることができる。

本発明の実施形態１に係る磁気素子を示す斜視図である。 第１磁性層に形成された磁気構造を示す図である。 第２磁性層に形成された磁気構造を示す図である。 本発明の実施形態１に係る磁気素子を製造する方法に含まれる準備ステップを示す図である。 本発明の実施形態１に係る磁気素子を製造する方法に含まれるレーザ照射ステップを示す図である。 本発明の実施形態１に係る磁気素子を製造する方法に含まれる磁場印加ステップを示す図である。 磁気素子における磁場印加ステップ後の磁気モーメントの挙動を示す図である。 磁気素子における磁場印加ステップ後の磁気モーメントの挙動を示す図である。 実施例の磁気素子と比較例の磁気素子にそれぞれ形成された磁気構造を、シミュレーションにより電流駆動したときの速度を比較したグラフである。 実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対をシミュレーションにより電流駆動したときの速度を、駆動電流の電流密度に対してプロットしたグラフである。 比較例１の磁気素子の上に形成された磁気バブルをシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。 ＴｂＦｅＣｏ層の上に形成された磁気バブルを極カー効果顕微鏡により撮影した写真である。 ＴｂＦｅＣｏ層の上に形成された磁気バブルを電流駆動したときの挙動を極カー効果顕微鏡により撮影した写真である。 実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対をシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置を示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置の読出部を示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置でのデータの読出しを示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置の読出部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置でのデータの書込みを示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置でのデータの転送を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置のデータ転送用駆動部の変形例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。以下の説明では、必要に応じて特定の方向を示す用語（「上」、「下」など）を用いるが、これらは本発明の理解を容易にするために用いているのであって、本発明の範囲を限定する目的で用いていると理解するべきではない。なお、説明の都合上、図面に記載されたＺ方向を上下方向と称し、＋Ｚ方向を上方向、−Ｚ方向を下方向とする。また、図面に記載されたＸ方向とＹ方向は、互いに垂直な方向であって、Ｚ方向に垂直な方向である。

［実施形態１］
（磁気素子１の構成）
図１に示すように、磁気素子１は、第１磁性層１０、第２磁性層２０、および、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に設けられた非磁性層３０を備える積層磁性薄膜として構成される。第１磁性層１０と第２磁性層２０は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が膜面に対して垂直な方向を向いた垂直磁化膜である。第１磁性層１０と第２磁性層２０は、好ましくは、同じ厚さを有する。磁気素子１は、例えば絶縁基板の上に設けられている。

第１磁性層１０と第２磁性層２０を構成する強磁性体の例は、ＴｂＦｅＣｏ（テルビウム鉄コバルト）、ＣｏＦｅＢ（コバルト鉄ボロン）、ＣｏＰｔ（コバルト白金）、ＣｏＣｒＰｔ（コバルトクロム白金）、ＣｏＦｅＳｉ（コバルト鉄ケイ素）、ＭｎＳｉ（シリコマンガン）などの合金である。第１磁性層１０と第２磁性層２０を構成する強磁性体には、キュリー温度が周囲温度（例えば室温）より高い材料が用いられる。前記キュリー温度は、磁気素子１に電流を流したときに発生するジュール熱により第１磁性層１０と第２磁性層２０の温度が上昇しても、超えられない程度に高いことが好ましい。垂直磁化膜は、強磁性薄膜の格子構造を歪ませることで容易に作成できるので、第１磁性層１０と第２磁性層２０を構成する材料として、例示したものの他、多くの強磁性体を用いることができる。

ここで、一般に、非磁性層を挟んで２つの強磁性層を設けた場合、非磁性層の厚さに応じて２つの強磁性層の結合の強さが変化する（例えば、S.S.P.Parkin, Phys, Rev. Lett 67, 3598(1991)を参照）。そして、２つの強磁性層は、非磁性層の厚さに応じて強磁性交換結合または反強磁性交換結合する。強磁性交換結合の場合、２つの強磁性層の磁気モーメントは互いに同じ方向を向き、反強磁性交換結合の場合、２つの強磁性層の磁気モーメントは互いに反対の方向を向く。

非磁性層３０は、第１磁性層１０と第２磁性層２０とが反強磁性交換結合する厚さを有する。非磁性層３０の厚さは、例えば約２ｎｍ以下である。非磁性層３０を構成する非磁性体または常磁性体は、好ましくは、白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）などのスピン軌道相互作用が大きい金属である。

第１磁性層１０は、後述する渦状磁気構造１１の部分を除いて、膜面に対して垂直な方向（以下、面直方向と称す）のうち下方向（−Ｚ方向）に磁化されている。第２磁性層２０は、後述する渦状磁気構造２１の部分を除いて、面直方向のうち上方向（＋Ｚ方向）に磁化されている。

第１磁性層１０と第２磁性層２０の磁化方向は、説明したものと逆であってもよい。すなわち、第１磁性層１０が、後述する渦状磁気構造１１の部分を除いて、面直方向のうち上方向（＋Ｚ方向）に磁化され、第２磁性層２０が、後述する渦状磁気構造２１の部分を除いて、面直方向のうち下方向（−Ｚ方向）に磁化されていてもよい。このとき、渦状磁気構造１１，２１における磁化方向も上下逆になる。

第１磁性層１０には、渦状磁気構造１１が形成されている。図１、図２に示すように、渦状磁気構造１１では、中心部（コア）に位置する複数の原子（以下、原子群と称す）の磁気モーメント１２が上方向（＋Ｚ方向）を向いている。前述の通り、渦状磁気構造１１の外部における磁気モーメント１３は下方向を向いている。このように、渦状磁気構造１１の中心部と渦状磁気構造１１の外部とで、磁気モーメントの向きは反平行である。

本実施形態では、渦状磁気構造１１の中心部に位置する原子群と外部における磁気モーメント１３との間における磁気モーメント１４は、面内成分を有する。また、磁気モーメント１４は、渦状磁気構造１１の外部から中心部に向かって渦を巻きながら倒れこみ、徐々に上向きの面直成分が増加している。ただし、磁気モーメント１４の向きはこれに限定されない。

第２磁性層２０には、渦状磁気構造２１が形成されている。図１、図３に示すように、渦状磁気構造２１では、中心部（コア）における磁気モーメント２２が下方向（−Ｚ方向）を向いている。前述の通り、渦状磁気構造２１の外部における磁気モーメント２３は上方向を向いている。このように、渦状磁気構造２１の中心部と渦状磁気構造２１の外部とで、磁気モーメントの向きは反平行である。

本実施形態では、渦状磁気構造２１の中心部に位置する原子群と外部に位置する原子群との間における磁気モーメント２４は、面内成分を有する。また、磁気モーメント２４は、渦状磁気構造２１の外部から中心部に向かって渦を巻きながら徐々に倒れこみ、徐々に下向きの面直成分が増加している。ただし、磁気モーメント２４の向きはこれに限定されない。

第１磁性層１０と第２磁性層２０に形成された一対の渦状磁気構造（以下、渦状磁気構造対と称す）１１，２１は、第１磁性層１０側から見て（または第２磁性層２０側から見て）互いに回転方向が逆向きである。

渦状磁気構造対１１，２１は、第１磁性層１０と第２磁性層２０の厚さ方向（Ｚ方向）に連続して形成されており、磁気バブルと同様に円筒状または円柱状の磁区構造（または磁壁）であると考えることができる。渦状磁気構造対１１，２１を構成する円筒または円柱の円の直径は、例えば約１０ｎｍ以上約３００ｎｍ以下であってもよい。前記直径を小さくすることにより、例えば、実施形態２で説明する磁気メモリの集積度を大きくすることができるという効果が得られる。渦状磁気構造１１（渦状磁気構造２１）のうち、第１磁性層１０（第２磁性層２０）の上面での円の直径と下面での円の直径とは、第１磁性層１０（第２磁性層２０）の厚さと材料、および、非磁性層３０の厚さと材料に応じて異なりうる。

なお、図２、図３に示している矢印は、１つの原子の磁気モーメントを示しているのではなく、原子群の磁気モーメントを示している。したがって、本明細書における「領域における磁気モーメント」という表現は、当該領域に含まれる原子群の磁気モーメントを意味する。また、図２、図３では、説明の都合上、一点鎖線の内部を渦状磁気構造１１として画定しているが、例えば、磁気モーメントが実質的に面内成分を有しない領域を、「渦状磁気構造１１の外部」として画定することができる。

磁気素子１に形成された渦状磁気構造対１１，２１は、新規な磁気構造であり、従来の磁気構造（磁気バブルなど）と比べて、電流駆動により安定して高速で移動し、かつ、電流駆動による移動の閾値も小さい。この効果は、後述のシミュレーションにより確認されることになる。また、渦状磁気構造対１１，２１では、磁気素子１に電流が流れているときだけでなく、磁気素子１に電流が流れていないときにも安定している。

（磁気素子１を製造する方法）
次に、磁気素子１を製造する方法を、図４から図８を用いて説明する。なお、図５から図８において、磁気モーメントが下向きの範囲を白抜きで示し、磁気モーメントが上向きの範囲にハッチングを付し、磁気モーメントが面内成分を有する範囲にドットを付している。前記方法は、これに限定されないが、例えば大気圧下、室温下で実施される。

前記方法は、第１磁性層１０、第２磁性層２０および非磁性層３０を備えた積層体４０を準備するステップ１０１を含む（図４を参照）。積層体４０は、例えば絶縁基板の上に、蒸着などの方法により、第２磁性層２０、非磁性層３０および第１磁性層１０を積層させて設けられる。

前記方法は、第１磁性層１０の面内の一部の領域１５（図５の点線の内部）にレーザ光５０を照射するステップ１０２を含む。レーザ照射ステップ１０２により、領域１５に含まれる原子群の温度が上昇する。レーザ光５０の照射範囲（またはビーム径）は、第１磁性層１０に形成する渦状磁気構造１１の大きさに対応する。レーザ光５０の照射パラメータ（レーザ光の波長、照射時間など）は、ステップ１０２で、領域１５に位置する原子群が、強磁性体から常磁性体への転移温度であるキュリー温度より高い目標温度となるように設定される。キュリー温度が約１４０度であるＴｂＦｅＣｏの場合、前記目標温度は、例えば１５０度に設定される。このとき、第１磁性層１０と第２磁性層２０を構成する強磁性体のキュリー温度が低いほど、目標温度を低くでき、従って照射するレーザ光５０のエネルギーを小さくできるという利点がある。領域１５では、原子群の温度が上昇することで飽和磁化が低下し、他の領域１６よりも小さい外部磁場で磁気モーメントを制御できるようになる。

前記方法は、第１磁性層１０の磁化方向（下方向、−Ｚ方向）と逆方向（上方向、＋Ｚ方向）の外部磁場６０を印加するステップ１０３を含む（図６を参照）。外部磁場６０の大きさは、温度が上昇している領域１５における磁気モーメントが反転する程度に大きく、他の領域１６の磁気モーメントが反転しない程度に小さい。磁場印加ステップ１０３により、領域１５における磁気モーメントは外部磁場６０と同じ上向きに反転し、他の領域１６における磁気モーメントは外部磁場６０と反対の下方向を向いたままとなる。また、領域１５の外側の領域１７における磁気モーメントは、面内成分を有するように傾斜する（面内で寝る）。なお、外部磁場６０を印可し始めるタイミングは、レーザ光５０を照射するステップ１０２より前であってもよい。磁場印加ステップ１０３は、例えば約１０ナノ秒以下で終了する。

図７に示すように、磁場印加ステップ１０３の後、磁気モーメントが面内成分を有する領域１７の範囲が拡大する。これは、磁場印加ステップ１０３の後、領域１７における磁気モーメントが第２磁性層２０における磁気モーメントと反強磁性交換結合し、安定な状態へと推移するためである。これと同時に、第２磁性層２０で領域１７に対応する領域２７における磁気モーメントが面内成分を有するようになる。

図８に示すように、図７に示す状態の後、第２磁性層２０の領域２７の内部にあって、第１磁性層１０の領域１５に対応する領域２５における磁気モーメントが下向きに反転する。これは、図７の状態で、既に第１磁性層１０で安定した磁気構造に対して、第２磁性層２０に形成された不安定な磁気構造が安定化しようとするからである。このようにして、第１磁性層１０に渦状磁気構造１１が形成され、第２磁性層２０に、第１磁性層１０側から見て（または第２磁性層２０側から見て）渦状磁気構造１１とは逆向きの渦状磁気構造２１が形成される。中心部の領域１５，２５における磁気モーメントは、外部の領域１６，２６における磁気モーメントとそれぞれ反平行である。また、第１磁性層１０の領域１５，１６における磁気モーメントは、第２磁性層の領域２５，２６における磁気モーメントと反平行である。

ステップ１０３を開始して渦状磁気構造対１１，２１が形成されるまでの時間は、印加する外部磁場の大きさにも依存するが、例えば、約２ナノ秒以下とすることができる。このように、レーザ照射ステップ１０２と磁場印加ステップ１０３とにより、渦状磁気構造対が形成された磁気素子１を迅速かつ容易に得ることができる。

（シミュレーション）
次に、実施形態１に係る磁気素子１の効果を確認するため、第１磁性層１０と第２磁性層２０を小さなセルで区切り、各セルについて、下記式（１）に示す磁気モーメントの運動方程式（ランダウ−リフシッツ−ギルバート方程式）を解くマイクロマグネティクスシミュレーションを行った。

磁気素子１の実施例として、ストライプ形状を有する磁性細線を用いた。第１磁性層１０と第２磁性層２０は、厚さ５ｎｍのＴｂＦｅＣｏであるとし、さらに、厚さ０ｎｍの非磁性層３０を導入した。言い換えると、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間の距離を０とすると共に、非磁性層３０の物質パラメータは取り入れず、第１磁性層１０と第２磁性層２０との交換エネルギーをパラメータとして取り入れた。セルサイズは、縦１０ｎｍ×横１０ｎｍ×厚さ５ｎｍとした。

前記式（１）において、ｍは磁化ベクトルである。また、γは電子の磁気回転比であり、その大きさは１．７６・１０⁷ｒａｄ／（ｓ・Ｏｅ）である。

前記式（１）において、Ｈ_effは、磁気モーメントが受ける有効磁場であり、各セルの磁化が作る磁場と異方性磁場との和である。異方性磁場は、最近接セル間の交換エネルギー、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間の交換エネルギーから求まる交換場、および、垂直磁化の磁気異方性エネルギーから求められる（Japanese journal of applied physics vol.28, No.12, December, 1989, pp. 2485-2507の式（２）から式（４）を参照）。

最近接セル間の交換エネルギーは、交換スティフネス定数Ａを用いて計算される。交換スティフネス定数Ａの大きさは、１．０×１０−⁷ｅｒｇ／ｃｍとした。第１磁性層１０と第２磁性層２０との間の交換エネルギーは−Ａ（＝−１．０×１０−⁷ｅｒｇ／ｃｍ）とした。垂直磁化の磁気異方性エネルギーＫｕの大きさは、１．０×１０⁶ｅｒｇ／ｃｍ³とした。

前記式（１）において、Ｍ_Sは飽和磁化の大きさであり、αはダンピング定数である。ＴｂＦｅＣｏの薄膜についての実験から得られている値として、ダンピング定数αを０．４とし、飽和磁化Ｍ_Sの値を４００ｅｍｕ／ｃｍ³とした。

図９は、実施例の磁気素子と比較例の磁気素子にそれぞれ形成された磁気構造を、シミュレーションにより電流駆動したときの移動速度を比較したグラフである。グラフの横軸は時間（ｎｓ）を示し、縦軸は各磁気構造の変位量（ｎｍ）を示す。駆動電流の電流密度Ｊの大きさは、１．０×１０¹²（Ａ／ｍ²）とした。グラフの実線は、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対１１，２１についての結果を示し、破線は、比較例１の磁気素子に形成された磁気バブルについての結果を示し、点線は、比較例２の磁気素子に形成された通常の磁壁についての結果を示す。比較例１，２の磁気素子は、実施例の磁気素子と同様に、磁気素子ストライプ形状を有する磁性細線である。

比較例１の磁気素子は、ＴｂＦｅＣｏの単層の垂直磁化膜を備える。磁気素子には、磁気バブルが形成されている。この磁気バブルは、ＴｂＦｅＣｏ層の面内の一部の領域にレーザ光を照射することにより、形成できる。比較例１では、シミュレーションのパラメータに、実施例と同じ値を用いた。

比較例２の磁気素子は、ＴｂＦｅＣｏの単層の垂直磁化膜を備える。磁気素子には、磁化方向の異なる複数の磁区が形成されている。この複数の磁区は、トンネル磁気抵抗効果素子を有する磁気センサに近接配置した記録ヘッドを用いて、ＴｂＦｅＣｏ層に電流磁場を発生させることにより、または、ＴｂＦｅＣｏ層を横切るように直線上にレーザ光を照射することにより、形成できる。比較例２では、シミュレーションのパラメータに、実施例と同じ値を用いた。

実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対、比較例１の磁気素子に形成された磁気バブル、および比較例２の磁気素子に形成された通常の磁壁について、平均移動速度（変位量（ｎｍ）／４ｎｓ）を求めたところ、それぞれ、７０ｍ／ｓ、４４ｍ／ｓおよび２０ｍ／ｓであった。

平均移動速度の結果から、電流駆動により、渦状磁気構造対１１，２１は、磁気バブルと通常の磁壁に比べて高速で移動することがわかる。また、実線（渦状磁気構造）は、破線（磁気バブル）および点線（磁壁）と比べて線形性が高い、または、より直線に近い。従って、渦状磁気構造対１１，２１は、磁気バブルと磁区と比べて、より一定の速度で移動することがわかる。

図１０は、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対１１，２１をシミュレーションにより電流駆動したときの速度を、駆動電流の電流密度に対してプロットしたグラフである。グラフの横軸は対数表示された電流密度Ｊ（Ａ／ｍ²）を示し、縦軸は対数表示された移動速度ｖ（ｍ／ｓ）を示す。グラフに示すように、移動速度は電流密度に対しておおよそ比例している。比例定数は、約７０×１０^-12である。

磁気バブルと通常の磁壁の駆動電流には、約１０¹⁰Ａ／ｍ²の閾値電流が存在し、閾値電流より小さい電流では動かないことが知られている。例えば、文献（Li et al., Current-Induced Domain Wall Motion in TbFeCo Wires With Perpendicular Magnetic Anisotropy, IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 46, NO. 6, June 2010）では、単層のＴｂＦｅＣｏに形成された通常の磁壁を電流駆動したときの閾値電流が調べられている（図４を参照）。図４には、膜厚が小さいほど閾値電流が大きいことが示されており、膜厚が５０ｎｍのときに４．５×１０¹⁰Ａ／ｍ²であり、膜厚が３０ｎｍのときに５．８×１０¹⁰Ａ／ｍ²であることが示されている。

これに対して、図１０からわかるように、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対では、対応する閾値電流が１０⁶Ａ／ｍ²よりも小さい。このように、渦状磁気構造対は、小さい電流密度でも駆動可能である。

図１１は、比較例１の磁気素子の上に形成された磁気バブルをシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。図１１は、磁気バブルを上から見た図であり、磁気バブルは黒色で示されている。（ａ）に示すように当初ほぼ円形であった磁気バブルは、（ｂ），（ｃ）に示すように、時間の経過と共に、電流の流れる方向に伸びるように変形する。電流密度が大きいほど、変形量は大きくなる。このように、磁気バブルの形状は、電流駆動に対して安定しない。

磁気バブルの形状が電流駆動に対して安定しないことは、実験でも確認されている。図１２は、比較例２と同じＴｂＦｅＣｏ層の上に形成された磁気バブルを極カー効果顕微鏡により撮影した写真であり、図１３は、その磁気バブルを電流駆動したときの挙動を極カー効果顕微鏡により撮影した写真である。図１３に示すように、（ａ）に示すように当初はほぼ円形であった磁気バブルは、（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、時間の経過と共に、電流の流れる方向に伸びるように変形している。

図１４は、実施例の磁気素子に形成された渦状磁気構造対をシミュレーションにより電流駆動したときの挙動を示す図である。図１４は、渦状磁気構造対を上から見た図であり、渦状磁気構造対は黒色で示されている。（ａ）に示すように当初ほぼ円形であった渦状磁気構造対は、（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）に示すように、時間の経過と共に、ほぼ同じ形状を維持している。このように、渦状磁気構造の形状は、電流駆動に対して安定している。

ここで、磁気素子に形成される磁気構造の安定性、および、電流駆動による移動速度は、シミュレーションで用いた各パラメータの値に応じて変化する。当業者であれば、磁気素子に備えられる１つまたは複数の磁性層を構成する材料、１つまたは複数の磁性層の厚さなどを調節することにより、所望の安定性と移動速度を達成できる。例えば、磁性層を構成する合金の組成を変更することにより、飽和磁化Ｍｓ、交換スティフネス定数Ａおよび垂直磁化の磁気異方性エネルギーＫｕを変更することができる（例えば、IEEE TRANSACTIONS ON MAGNETICS, VOL. 41, NO. 10, OCTOBER 2005の表１には、ＴｂＦｅＣｏに含まれるＴｂの割合と、飽和磁化Ｍｓ、交換スティフネス定数Ａおよび垂直磁化の磁気異方性エネルギーＫｕとの関係が記載されている）。

前記シミュレーションにより、従来の磁気構造（磁気バブルなど）と比べたときの渦状磁気構造対１１，２１の利点として、電流駆動により安定して高速で移動し、かつ、電流駆動による移動の閾値も小さいことが確認された。従って、このような利点を有する渦状磁気構造対１１，２１が形成された、本実施形態１に係る磁気素子１は、第２実施形態で説明する磁気メモリ装置だけでなく、例えば演算素子、乱数発生装置においても好適に利用される可能性がある。

［実施形態２］
図１５は、本発明の実施形態２に係る磁気メモリ装置２００を示す斜視図である。
磁気メモリ装置２００は、データ転送線２２０とデータ書込線２３０とを有する磁気素子（または磁気メモリ素子）２１０を備える。図１５は、既にデータが書き込まれた状態の磁気素子２１０を示している。磁気素子２１０は、実施形態１で説明した積層体４０に相当し、すなわち、前記渦状磁気構造対が形成されていない磁気素子１に相当する。図１６などに示すように、磁気素子２１０のデータ転送線２２０は、第１磁性層２２５、第２磁性層２２６、および、第１磁性層２２５と第２磁性層２２６との間に設けられた非磁性層２２７を備える。これらの層２２５，２２６，２２７に対応して、磁気素子２１０のデータ書込線２３０は、それぞれ、第１磁性層２３４、第２磁性層２３５、および、第１磁性層２３４と第２磁性層２３５との間に設けられた非磁性層２３６を備える。磁気素子２１０は、積層体４０における各層の蒸着とフォトリソグラフィとにより形成される。

データ転送線２２０は、ストライプ形状を有する磁性細線であり、図１５ではＸ方向に延びている。図１５に示すＸ方向は、データ転送線２２０の長手方向である。符号２４１は、データ転送線２２０に形成された渦状磁気構造対を示す。データ転送線２２０は、複数のデータ領域２２１，２２２に区画されている。磁気素子２１０に図１５に示すようなデータが書き込まれた状態では、データ領域２２１には、渦状磁気構造対２４１が形成され、データ領域２２２には、渦状磁気構造対２４１が形成されていない。データ領域２２１，２２２は、一定の間隔で設けられている。後述するように、１つのデータ領域は、１ビットのデータに相当する。データ転送線２２０で、後述する磁気抵抗センサ２７０の先（図１５で磁気抵抗センサ２７０より右側）には、データ通過領域２２３が設けられている。

データ転送線２２０は、第１磁性層２２５、第２磁性層２２６および非磁性層２２７の端面全体が、リード線を介してデータ転送電源２２４に接続されている。ただし、本実施形態１では、第１磁性層２２５、第２磁性層２２６および非磁性層２２７はすべて金属でできているので、第１磁性層２２５、第２磁性層２２６および非磁性層２２７のうち少なくとも１つがデータ転送電源２２４に接続されていれば、データ転送線２２０の全層を通電させることができる。データ転送電源２２４は、データ転送線２２０の両端部間に電圧を印加し、渦状磁気構造対２４１を電流駆動し、データ転送線２２０の上を移動させるデータ転送用駆動部として機能する。データ転送電源２２４は、磁気素子２１０を流れる電流の向きを反転させることができるように構成されている。

データ書込線２３０は、データ転送線２２０に対して交差して（または直交して）設けられており、図１５ではＹ方向に延びている。図１５に示すＹ方向は、データ書込線２３０の長手方向である。図１６に示すように、データ書込線２３０の第１磁性層２３４、第２磁性層２３５および非磁性層２３６は、データ転送線２２０の第１磁性層２２５、第２磁性層２２６および非磁性層２２７とそれぞれ交わっている。符号２４２は、データ書込線２３０に形成された渦状磁気構造対を示す。データ書込線２３０は、第１磁性層２３４、第２磁性層２３５および非磁性層２３６の端面全体が、リード線を介してデータ書込電源２３３に接続されている。データ書込電源２３３は、データ書込線２３０の両端部間に電圧を印加し、渦状磁気構造対２４２を電流駆動し、データ書込線２３０の上を移動させるデータ書込用駆動部として機能する。

前述の通り、渦状磁気構造対２４２は、磁気バブルなどを駆動できない約１０¹⁰Ａ／ｍ²以下の低い電流密度で駆動可能である。データ転送電源２２４とデータ書込電源２３３は、例えば、約１０⁶Ａ／ｍ²以上約１０¹⁰Ａ／ｍ²以下の電流密度で電流を流す。これにより、渦状磁気構造対２４２を小さい電流密度で電流駆動しつつ、その移動速度を確保できる。

データ書込線２３０の一端側には、渦状磁気構造対２４２が生成されるデータ生成領域２３１が位置し、データ書込線２３０の他端側には、渦状磁気構造対２４２が消去されるデータ消去領域２３２が位置する。

磁気メモリ装置２００は、データ書込線２３０のデータ生成領域２３１に設けられたレーザ光源２５０および磁場発生部２６０をさらに備える。レーザ光源２５０は、図５を用いて説明したレーザ照射ステップ１０２で用いられ、積層体４０に含まれる第１磁性層１０の面内の領域１５にレーザ光を照射して局所的に加熱する。磁場発生部２６０は、図６を用いて説明した磁場印加ステップ１０３で用いられ、積層体４０に外部磁場を印加する。このように、レーザ光源２５０および磁場発生部２６０は、データ転送線２２０にデータを書き込むための書込部として機能する。

磁気メモリ装置２００は、データ転送線２２０とデータ書込線２３０との交差点となるデータ領域に設けられた磁気抵抗センサ２７０をさらに備える。磁気抵抗センサ２７０は、ＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子２７１を用いた磁気センサである。ＴＭＲ素子２７１は、図１６に示すように、強磁性体でできているピン層（固定層）２７２およびフリー層２７３と、ピン層２７２とフリー層２７３との間に設けられた、非磁性絶縁体薄膜であるトンネル絶縁膜２７４とを有する。フリー層２７３は、データ転送線２２０の第１磁性層２２５とデータ書込線２３０の第１磁性層２３４との交差領域により構成される。従って、フリー層２７３は、第１磁性層２２５，２３４と同じ材料でできている。ピン層２７２は、フリー層２７３と同じ材料でできていてもよい。トンネル絶縁膜２７４は、Ａｌ₂Ｏ₃（酸化アルミニウム）、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）など公知の材料でできていてよい。

ＴＭＲ素子２７１のピン層２７２とフリー層２７３には、図示しない電極が設けられている。ＴＭＲ素子２７１は、この電極を介して、公知の読み出し回路に接続されている。磁気抵抗センサ２７０では、データ転送線２２０の上を渦状磁気構造対２４１が移動することによる磁化の変動が、ＴＭＲ素子２７１の電気抵抗の変化として読み出される。具体的には、データ転送線２２０の上に渦状磁気構造対２４１が存在する場合には「１」（図１７）、存在しない場合（図１６）には「０」のように１ビットのデータとして読み出しが行われる。このように、磁気抵抗センサ２７０は、データ転送線２２０に書き込まれたデータを読み出すための読出部として機能する。

本実施形態２では、磁気抵抗センサ２７０は、ＡＭＲ（異方性磁気抵抗効果）素子を用いた磁気センサなど、他の磁気抵抗センサであってもよい。

本実施形態２では、磁気抵抗センサ２７０のＴＭＲ素子２７１は、図１８に示すように、そのすべての層２７２，２７３，２７４が、データ転送線２２０とデータ書込線２３０との交差領域の上に設けられてもよい。ただし、図１６、図１７に示す、データ転送線２２０の第１磁性層２２５およびデータ書込線２３０の第１磁性層２３４が磁気抵抗センサ２７０のフリー層２７３を兼ねている構造では、図１８に示す構造に比べて製造効率が向上する。また、ＴＭＲ素子２７１は、データ転送線２２０とデータ書込線２３０との交差領域に設けられる必要はなく、データ転送線２２０の上であればどの位置に設けられてもよい。

本実施形態２では、ＴＭＲ素子２７１を有する磁気抵抗センサ２７０の代わりに、例えば、ホール素子（ホールバーなど）を有するホールセンサが読出部として用いられてもよい。ただし、磁気抵抗センサ２７０を用いた場合、ホールセンサと比べて感度が高く、また応答速度も大きいので有利である。

次に、図１５および図１９、図２０を用いて、磁気メモリ装置２００の動作を説明する。

データ転送線２２０にデータを書き込む場合、図５から図８を用いて説明した方法により、データ書込線２３０のデータ生成領域２３１に渦状磁気構造対２４２が発生する（図１５を参照）。発生した渦状磁気構造対２４２は、データ書込電源２３３を駆動することにより、図１９に示すように、データ書込線２３０の上をデータ転送線２２０に到達するまで長手方向（−Ｙ方向に）移動する。これにより、データ転送線へ２２０のデータの書き込みが完了する。電流を加えない状態でも渦状磁気構造対２４２が安定していることから、書き込まれたデータは、電流駆動を停止しても消去されることがない（すなわち不揮発性である）。

データ転送線２２０に書き込まれたデータを読み出す場合、データ転送電源２２４が駆動される。これにより、渦状磁気構造対２４１，２４２をデータ転送線２２０の上で長手方向（＋Ｘ方向）に移動させる向きに磁場が発生する。データ転送線２２０の上を移動する渦状磁気構造対２４１，２４２は、磁気抵抗センサ２７０のＴＭＲ素子２７１の電気抵抗の変化として検出される。磁気抵抗センサ２７０の先まで移動した渦状磁気構造対２４１，２４２は、データ通過領域２２３に入る。データ通過領域２２３に入った渦状磁気構造対２４１，２４２を読み出す場合は、データ転送電源２２４による電流の方向を逆にすることにより、図２０に示す矢印とは逆方向（図１５では−Ｘ方向）に渦状磁気構造対２４１，２４２が移動し、磁気抵抗センサ２７０により検出される。

データ転送線２２０に書き込まれたデータを消去する場合、データ転送電源２２４を駆動することにより、渦状磁気構造対２４１，２４２がデータ転送線２２０の上を移動し、データ書込線２３０との交差点に到達する。この状態で、データ転送電源２２４の作動が停止され、渦状磁気構造対２４２が、データ書込電源２３３の駆動により、データ書込線２３０の上を長手方向（−Ｙ方向）に移動し、データ消去領域２３２に到達してリード線に衝突し、消去される。

本実施形態２によれば、従来の磁気構造（磁気バブルなど）と比べて、電流駆動により安定して高速で移動し、かつ、電流駆動による移動の閾値も小さい渦状磁気構造対２４１，２４２が磁気素子２１０に形成されていることにより、従来技術よりも小さい消費電力で安定して動作する不揮発性のメモリ装置を得ることができる。また、データ転送電源２２４とデータ書込電源２３３が、例えば、約１０⁶Ａ／ｍ²以上約１０¹⁰Ａ／ｍ²以下の電流密度で電流を流して渦状磁気構造対２４１，２４２を電流駆動することにより、消費電力を小さくする効果を高めることができる。

［実施形態３］
図２１は、本発明の実施形態３に係る磁気メモリ装置３００を示す図である。
磁気メモリ装置３００は、データ転送線３２０とデータ書込線３３０とを有する磁気素子（または磁気メモリ素子）３１０を備える。図２１は、既にデータが書き込まれた状態の磁気素子３１０で示している。磁気素子３１０は、実施形態１で説明した積層体４０に相当し、すなわち、前記渦状磁気構造対が形成されていない磁気素子１に相当する。図２２などに示すように、磁気素子３１０のデータ転送線３２０は、第１磁性層３２５、第２磁性層３２６、および、第１磁性層３２５と第２磁性層３２６との間に設けられた非磁性層３２７を備える。磁気素子３１０は、積層体４０における各層の蒸着とフォトリソグラフィとにより形成される。

データ転送線３２０は、平面視（図２１）でループ形状を有する磁性細線である。ただし、データ転送線３２０は、後述するデータ転送用駆動部３８０の位置では閉じられておらず、すなわち開ループ形状を有する。符号３４１は、データ転送線３２０に形成された渦状磁気構造対を示す。データ転送線３２０は、複数のデータ領域３２１，３２２に区画されている。磁気素子３１０に図２１に示すようなデータが書き込まれた状態では、データ領域３２１には、渦状磁気構造対３４１が形成され、データ領域３２２には、渦状磁気構造対３４１が形成されていない。データ領域３２１，３２２は、一定の間隔で設けられている。１つのデータ領域は、１ビットのデータに相当する。データ転送線３２０は、（図２１ではＸ方向に延びる）直線領域３２３と、円弧領域３２４とを有する。図２１に示すＸ方向は、直線領域３２３の長手方向である。円弧領域３２４で、データ領域は、内周側から外周側に向かって拡大する形状を有する。

データ書込線３３０は、データ転送線３２０の直線領域３２３に、データ転送線３２０に対して交差して設けられており、図２１ではＹ方向に延びている。図２１に示すＹ方向は、データ書込線３３０の長手方向である。符号３４２は、データ書込線３３０に形成された渦状磁気構造対を示す。データ書込線３３０は、リード線を介してデータ書込電源３３３に接続されている。データ書込電源３３３は、データ書込線３３０の両端部間に電圧を印加し、渦状磁気構造対３４２を電流駆動し、データ書込線３３０の上を移動させるデータ書込用駆動部として機能する。

データ書込線３３０の一端側には、渦状磁気構造対３４２が生成されるデータ生成領域３３１が位置し、データ書込線３３０の他端側には、渦状磁気構造対３４２が消去されるデータ消去領域３３２が位置する。

磁気メモリ装置３００は、実施形態２で説明したレーザ光源２５０および磁場発生部２６０をさらに備える。レーザ光源２５０および磁場発生部２６０の構成と動作については、実施形態２と同様であり、説明を省略する。磁気メモリ装置３００は、データ転送線３２０の直線領域３２３に設けられた磁気抵抗センサ３７０をさらに備える。磁気抵抗センサ３７０は、実施形態２で説明した磁気抵抗センサ２７０と同じ構成を有するため、その構成と動作については説明を省略する。

磁気メモリ装置３００は、データ転送線３２０の直線領域３２３に設けられたデータ転送用駆動部３８０をさらに備える。データ転送用駆動部３８０は、絶縁積層体３８１、一対の電極３８２，３８３およびデータ転送電源３８４を有する。

図２２に示すように、開ループ形状を有するデータ転送線３２０の一端（第１端）３２８と他端（第２端）３２９は、長手方向（Ｘ方向）に距離を隔てて設けられている。絶縁積層体３８１は、データ転送線３２０の第１端３２８と第２端３２９との間を接続するように設けられている。絶縁積層体３８１は、絶縁層３８５，３８６，３８７を有する。絶縁層３８５，３８６は、ＭｎＺｎフェライト（（Ｍｎ，Ｚｎ）Ｆｅ₂Ｏ₄）などの強磁性絶縁体でできており、絶縁層３８７は、ＳｉＯ₂（二酸化ケイ素）などの非磁性絶縁体または常磁性絶縁体でできている。ただし、絶縁層３８７が充分に薄ければ、絶縁層３８７が絶縁層３８５，３８６と同じ強磁性絶縁体でできていてもよい。

一対の電極３８２，３８３は、データ転送線３２０の第１磁性層３２５と第２磁性層３２６とを挟んで絶縁積層体３８１の長手方向（Ｘ方向）の両端部に隣接して設けられている。一対の電極３８２，３８３は、データ転送線３２０の直線領域３２３の長手方向（Ｘ方向）に対して交差する幅方向（＋Ｙ方向）に延びている。図示していないが、データ転送線３２０の第１磁性層３２５、第２磁性層３２６および非磁性層３２７はすべて、磁気素子３１０のループの内側端面（＋Ｙ方向側端面）で、一対の電極３８２，３８３にそれぞれ接している。データ転送電源３８４は、一対の電極３８２，３８３に電気的に接続されており、一対の電極３８２，３８３の間に電圧を印加する。

データ転送線３２０へのデータの書込みとデータ転送線３２０に書き込まれたデータの消去は、実施形態２で説明したデータ転送線２２０へのデータの書込みとデータ転送線２２０に書き込まれたデータの消去と同様に行われるため、説明を省略する。

データ転送線３２０に書き込まれたデータを読み取る場合、データ転送電源３８４が駆動される。このとき、データ転送用駆動部３８０では、図２２に示すように、データ転送線３２０から電極３８２へ電流が流れ（矢印１００１，１００２）、電極３８３からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１００３，１００４）。このように、絶縁積層体３８１の周りを回るように電流が流れることにより、渦状磁気構造対３４１をデータ転送線３２０の上で移動させる向きに磁場が発生する。データ転送線３２０の上で移動する渦状磁気構造対３４１は、磁気抵抗センサ２７０により電圧変化として検出される。

実施形態２では、データ転送線２２０を直線形状とすることにより、読出部（磁気抵抗センサ２７０）を通過した渦状磁気構造対２４１，２４２がデータ転送線２２０の端部でリード線に衝突して消えないように、データ通過領域２２３が設けられる。データ通過領域２２３は、データ転送線２２０に記憶させるデータ量に応じて長くなる。一方、本実施形態３では、データ転送線３２０をループ形状とすることにより、データ通過領域２２３に相当する領域を設ける必要がない。従って、本実施形態３に係る磁気メモリ装置３００は、実施形態２に係る磁気メモリ装置２００に比べて小型化できるという効果がある。

次に、図２３から図２８を参照して、データ転送用駆動部の変形例を説明する。図２３から図２８に示す変形例では、データ転送用駆動部を構成する絶縁層と一対の電極とにのみ図２２と異なる符号を付しており、データ転送線にはいずれも同じ符号３２０を付している。また、一対の電極に電気的に接続されるデータ転送電源３８４は図示していない。

図２３と図２４に示す変形例では、データ転送線３２０が、データ転送用駆動部の位置で、上下方向（Ｚ方向）にずれて且つ長手方向（Ｘ方向）に重なって（オーバラップして）設けられている。データ転送線３２０の一端と他端とは、絶縁層４８１により上下方向（Ｚ方向）で接続されている。データ転送線３２０の一端（第１端）側の端面に電極４８２が、データ転送線３２０の他端（第２端）側の端面に電極４８３が設けられている。

図２３に示す変形例では、電極４８２はデータ転送線３２０の一端から上方向（＋Ｚ方向）に延び、電極４８３はデータ転送線３２０の他端から長手方向（＋Ｘ方向）に延びている。データ転送電源３８４が駆動されると、データ転送線３２０から電極４８３へ電流が流れ（矢印１００５，１００６）、電極４８２からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１００７）。

図２４に示す変形例では、電極４８２はデータ転送線３２０の一端から長手方向（−Ｘ方向）に延び、電極４８３はデータ転送線３２０の他端から幅方向（−Ｙ方向）に延びている。データ転送電源３８４が駆動されると、データ転送線３２０から電極４８３へ電流が流れ（矢印１００８，１００９）、電極４８２からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１０１０）。

図２５と図２６に示す変形例では、図２２に示す例と同様に、データ転送用駆動部の位置で、データ転送線３２０の一端と他端とが長手方向（Ｘ方向）に距離を隔てて設けられている。データ転送線３２０の一端と他端とは、第２磁性層３２６の下面でデータ転送線３２０に沿って長手方向（Ｘ方向）に延びる絶縁層５８１により接続されている。

図２５に示す変形例では、データ転送線３２０の一端（第１端）側の端面に電極５８２が、データ転送線３２０の他端（第２端）側の端面に電極５８３が設けられている。電極５８２，５８３は、データ転送線３２０の一端、他端からそれぞれ上方向（＋Ｚ方向）に延びている。データ転送電源３８４が駆動されると、データ転送線３２０から電極５８２へ電流が流れ（矢印１０１１，１０１２）、電極５８３からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１０１３，１０１４）。

図２６に示す変形例では、データ転送線３２０の一端（第１端）側であって第１磁性層３２５の上に電極５８２が、データ転送線３２０の他端（第２端）側であって第１磁性層３２５の上に電極５８３が設けられている。電極５８２，５８３は、データ転送線３２０の第１磁性層３２５の上面からそれぞれ上方向（＋Ｚ方向）に延びている。データ転送電源３８４が駆動されると、データ転送線３２０から電極５８２へ電流が流れ（矢印１０１５，１０１６）、電極５８３からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１０１７，１０１８）。

図２７と図２８に示す変形例では、図２２に示す例と同様に、データ転送用駆動部の位置で、データ転送線３２０の一端（第１端）３２８と他端（第２端）３２９とが長手方向（Ｘ方向）に距離を隔てて設けられている。また、データ転送線３２０では、第２磁性層３２６は、第１磁性層３２５と非磁性層３２７に対して長手方向（Ｘ方向）に張り出して設けられている。データ転送線３２０の第１端３２８、第２端３２９は、第１磁性層３２５および非磁性層３２７の第１端３２８ａ、第２端３２９ａと、第２磁性層３２６の第１端３２８ｂ、第２端３２９ｂとを有する。第２磁性層３２６の第１端３２８ｂ、第２端３２９ｂとの間には絶縁層６８１が設けられ、これによりデータ転送線３２０の第１端３２８と第２端３２９とが接続される。第１磁性層３２５および非磁性層３２７の第１端３２８ａ側端面と第２端３２９ａ側端面であって第２磁性層３２６の上面には、それぞれ電極６８２，６８３が設けられている。

図２７に示す変形例では、電極６８２は、第２磁性層３２６の上面から上方向（＋Ｚ方向）に延び、電極６８３は、第２磁性層３２６の上面から上方向（＋Ｚ方向）に延びている。データ転送電源３８４が駆動されると、データ転送線３２０から電極６８２へ電流が流れ（矢印１０１９，１０２０）、電極６８３からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１０２１）。

図２８に示す変形例では、電極６８２は、第２磁性層３２６の上面から幅方向（＋Ｙ方向）に延び、電極６８３は、第２磁性層３２６の上面から幅方向（＋Ｙ方向）に延びている。データ転送電源３８４が駆動されると、データ転送線３２０から電極６８２へ電流が流れ（矢印１０２２，１０２３）、電極６８３からデータ転送線３２０へ電流が流れる（矢印１０２４，１０２５）。

図２２から図２８に示したように、磁気メモリ装置３００では、データ転送用駆動部が有する一対の電極を所望の形状、配置とすることができ、製品の設計に自由度が得られる。

以上、実施形態により本発明を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されない。また、各実施形態に記載された特徴は、自由に組み合わせられてよい。また、前記実施形態には、種々の改良、設計上の変更および削除が加えられてよい。

例えば、実施形態１に係る磁気素子１では、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に非磁性層３０が設けられた三層膜構造を有する例を説明した。ここで、現在、非磁性層を設けず強磁性体と酸化物強磁性体の二層膜で反強磁性結合を作る研究が行われており、例えばＦｅ／Ｆｅ₃Ｏ₄（鉄／四酸化三鉄）の二層膜が反強磁性結合することが確認されている。本発明には、このような二層膜構造を有する磁気素子が含まれると理解するべきである。

１ 磁気素子
１０ 第１磁性層
１１ （第１磁性層に形成された）渦状磁気構造
２０ 第２磁性層
２１ （第２磁性層に形成された）渦状磁気構造
３０ 非磁性層
４０ 積層体
２００，３００ 磁気メモリ装置
２１０，３１０ 磁気素子（磁気メモリ素子）
２２０，３２０ データ転送線
２３０，３３０ データ書込線
２４１，２４２，３４１，３４２ 渦状磁気構造対
２２４ データ転送電源
２３３，３３３ データ書込電源
２５０ レーザ光源
２６０ 磁場発生部
２７０，３７０ 磁気抵抗センサ
３８０ データ転送用駆動部
３８１ 絶縁積層体
３８２ 一対の電極
３８４ データ転送電源

Claims (12)

1. 面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第１磁性層および第２磁性層と、
   前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層とを備え、
   前記第１磁性層および前記第２磁性層は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が薄膜面に対して垂直な方向を向いた垂直磁化膜であり、
   前記第１磁性層および前記第２磁性層には、前記第１磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造が形成され、各磁性層における磁化方向も面直方向で互いに上下逆であり、
   各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、積層磁性薄膜。
2. 面直方向に磁化され且つ反強磁性交換結合した第１磁性層および第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層とを備え、前記第１磁性層および前記第２磁性層は、一軸異方性を有する強磁性体の薄膜であって、その磁化容易軸が薄膜面に対して垂直な方向を向いた垂直磁化膜である、積層体を準備するステップと、
   前記第１磁性層の一部にレーザ光を照射して局所的な加熱を行うステップと、
   前記第１磁性層の磁化方向と逆向きに外部磁場を印加し、前記第１磁性層の一部で磁気モーメントを反転させて、前記第１磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造を前記第１磁性層および前記第２磁性層に形成するステップとを含み、
   各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、積層磁性薄膜の製造方法。
3. 前記加熱するステップでは、前記第１磁性層の一部の温度をキュリー温度より高い温度まで上昇させ、
   前記外部磁場を印加するステップでは、前記第１磁性層の一部で磁気モーメントが反転し、前記第１磁性層のその他の部分で磁気モーメントが反転しない大きさの外部磁場を印加する、
   請求項２に記載の積層磁性薄膜の製造方法。
4. 請求項１記載の積層磁性薄膜と、
   前記積層磁性薄膜にデータを書き込むための書込部と、
   前記積層磁性薄膜に書き込まれたデータを読み出すための読出部とを備え、
   前記書込部は、前記第１磁性層および前記第２磁性層に、前記第１磁性層側から見て互いに回転方向が逆である一対の渦状磁気構造を形成するように構成され、
   前記読出部は、前記積層磁性薄膜に前記一対の渦状磁気構造が各磁性層における磁化方向も面直方向で互いに上下逆に存在するか否かを、１ビットのデータとして読み出すように構成され、
   各渦状磁気構造の中心部と該渦状磁気構造の外部とで、磁気モーメントの向きが反平行である、磁気メモリ装置。
5. 前記読出部は、磁気抵抗効果素子を有し、
   前記磁気抵抗効果素子は、その一部に前記第１磁性層または前記第２磁性層を含む、
   請求項４に記載の磁気メモリ装置。
6. 前記読出部が設けられたデータ転送線と、前記書込部が設けられたデータ書込線とを有し、
   前記データ書込線は、前記データ転送線に対して交差して設けられている、
   請求項４または５に記載の磁気メモリ装置。
7. 前記一対の渦状磁気構造を電流駆動し、前記データ転送線の上を移動させる駆動部をさらに備えた、
   請求項６に記載の磁気メモリ装置。
8. 前記データ転送線は、第１端および第２端を有する開ループ形状を有し、
   前記駆動部は、前記第１端と前記第２端とを接続するように設けられた絶縁層と、前記第１端および前記第２端にそれぞれ接し且つ前記絶縁層に隣接して設けられた第１駆動電極および第２駆動電極と、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極との間に電圧を印加する電源とを有する、
   請求項７に記載の磁気メモリ装置。
9. 前記駆動部は、１０^６Ａ／ｍ^２以上１０^１０Ａ／ｍ^２以下の電流密度で、前記一対の渦状磁気構造を電流駆動する、
   請求項７または８に記載の磁気メモリ装置。
10. 前記読出部は、前記データ転送線と前記データ書込線との交差領域に設けられている、
    請求項７から９のいずれか１項に記載の磁気メモリ装置。
11. 前記書込部は、前記積層磁性薄膜の前記第１磁性層を局所的に加熱する加熱部と、前記積層磁性薄膜に外部磁場を印加する磁場発生部とを有する、
    請求項４から１０のいずれか１項に記載の磁気メモリ装置。
12. 前記加熱部は、レーザ光源である、請求項１１に記載の磁気メモリ装置。