JP6838690B2 - 磁壁移動素子、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ - Google Patents

磁壁移動素子、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ Download PDF

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Description

本発明は、磁壁移動素子、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイに関する。
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型の磁気記録装置に注目が集まっている。磁気記録装置の一例としては、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ
Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等がある。
ＭＲＡＭは、磁化の向きによって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。記録メモリの大容量化を実現するために、メモリを構成する素子の小型化、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットの多値化が検討されている。
特許文献１には、磁気記録層内における磁壁を移動させることで、多値のデータを記録することができる磁壁移動型磁気記録素子が記載されている。
国際公開第２００９／１０１８２７号
磁壁移動型磁気記録素子は、低消費電力化が求められている。磁壁移動型磁気記録素子は、磁壁の位置を制御することで、データを記録する。磁壁移動型磁気記録素子の低消費電力化を実現する一つの方法は、磁壁を移動させるのに必要なエネルギーを小さくすることである。磁壁を効率的に動かすことができる磁壁移動型磁気記録素子が求められている。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、低消費電力な磁壁移動素子、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイを提供することを目的とする。
（１）第１の態様にかかる磁壁移動素子は、希土類金属を含む第１層と遷移金属を含む第２層とが、第１方向に向かって交互に積層された磁壁移動層と、前記磁壁移動層に面し、互いに離間して配置された第１電極及び第２電極と、を備え、前記磁壁移動層は、前記第１層と前記第２層とのいずれかの界面に位置し、非磁性の金属を含むＳＯＴ抑制部を有し、前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面において局所的に分布する。
（２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、原子番号４８以下の非磁性遷移金属を含んでもよい。
（３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面において不連続に分布してもよい。
（４）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面において島状に点在してもよい。
（５）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面から前記第１方向に向かって突出してもよい。
（６）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、前記第２層の積層面上にあってもよい。
（７）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、前記第２層の積層面上のみにあってもよい。
（８）上記態様にかかる磁壁素子において、前記ＳＯＴ抑制部の一つの界面における総面積は、前記界面の面積の２０％以上であってもよい。
（９）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１層は、Ｔｂ、Ｇｂ、又は、これらの合金を含んでもよい。
（１０）第２の態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、上記態様にかかる磁壁移動素子と、前記磁壁移動層に面し、前記第１方向からの平面視で前記第１電極と前記第２電極との間に位置する第１強磁性層と、前記第１強磁性層と前記磁壁移動層との間に位置する非磁性層と、を備える。
（１１）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記ＳＯＴ抑制部は、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層と重なる位置にあってもよい。
（１２）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁壁移動層と前記非磁性層との間に、前記第２強磁性層をさらに備えてもよい。
（１３）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁壁移動層の前記第１強磁性層に面する第１面と反対側の面に、下地層をさらに備え、前記下地層は、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ又はＳｉＮの単層又はこれらの積層体であってもよい。
（１４）第３の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子を複数備える。
上記態様にかかる磁壁移動素子、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイは、少ない消費電力で動作する。
第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の斜視図である。 第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子における磁壁移動層を拡大した断面図である。 ＳＯＴ抑制部の分布を模式的に示した斜視図である。 ＳＯＴ抑制部の分布の別の例を模式的に示した斜視図である。 ＳＯＴ抑制部の分布の別の例を模式的に示した斜視図である。 ＳＯＴについて説明するための磁壁移動型磁気記録素子の断面図である。 変形例１にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁壁移動層を拡大した断面図である。 変形例２にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁壁移動層を拡大した断面図である。 変形例３にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面図である。 変形例４にかかる磁壁移動型磁気記録素子の斜視図である。 変形例５にかかる磁壁移動型磁気記録素子の斜視図である。 第２実施形態にかかる磁壁移動素子の斜視図である。 第３実施形態にかかる磁気記録アレイの回路図である。
以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。
方向について定義する。＋ｚ方向は、後述する磁壁移動層１０を支持する支持体（図示略）に対して積層する方向である。−ｚ方向は、その反対方向である。＋ｚ方向と−ｚ方向とを区別しない場合は、単に「ｚ方向」という。＋ｘ方向は、ｚ方向と略直交し、後述する第１電極２１から第２電極２２へ向かう方向である。−ｘ方向はその反対方向である。＋ｘ方向と−ｘ方向とを区別しない場合は、単に「ｘ方向」という。＋ｙ方向は、ｚ方向及びｘ方向と直交する一方向である。−ｙ方向は、その反対の方向である。＋ｙ方向と−ｙ方向とを区別しない場合は、単に「ｙ方向」という。第１方向は、＋ｚ方向の一例である。
（磁壁移動型磁気記録素子）
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００を模式的に示した斜視図である。磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁壁移動層１０と２つの電極２０と非磁性層３０と第１強磁性層４０とを備える。２つの電極２０の一方が第１電極２１であり、他方が第２電極２２である。磁壁移動層１０は、第１磁区１０Ａと第２磁区１０Ｂとを有し、これらの境界に磁壁１０Ｃを有する。
磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁壁移動層１０の磁壁１０Ｃの位置によって、データを多値で記録する。磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１強磁性層４０、非磁性層３０及び磁壁移動層１０の積層方向の抵抗値としてデータを記録する。磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は、ｚ方向から見て第１強磁性層４０と重なる位置における磁壁移動層１０の磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂの状態により変化する。
第１磁区１０Ａの磁化Ｍ１０Ａの向きは、第１強磁性層４０の磁化Ｍ４０の向きと反対方向（反平行）である。第２磁区１０Ｂの磁化Ｍ１０Ｂの向きは、第１強磁性層４０の磁化Ｍ４０の向きと同方向（平行）である。ｚ方向から見て第１強磁性層４０と重畳する部分における第１磁区１０Ａの面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は高くなる。ｚ方向から見て第１強磁性層４０と重畳する部分における第２磁区１０Ｂの面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は低くなる。つまり、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は、磁壁１０Ｃが＋ｘ方向に移動すると高くなり、−ｘ方向に移動すると低くなる。
磁壁移動型磁気記録素子１００にデータを書き込む際は、例えば、第１電極２１と第２電極２２との間に書き込み電流を流す。例えば、磁壁移動層１０に所定の方向の電流パルスを印加すると、第１磁区１０Ａは第２磁区１０Ｂへ広がり、磁壁１０Ｃが第２電極２２へ向かって移動する。磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は、磁壁１０Ｃの位置で決まり、データが書き込まれる。磁壁１０Ｃの位置は、磁壁移動層１０に流す電流の方向（＋ｘ方向又は−ｘ方向）、電流密度等により制御できる。また磁壁１０Ｃの位置は、磁壁移動層１０に外部磁場を印加することでも制御できる。
磁壁移動型磁気記録素子１００からデータを読み出す際は、第１強磁性層４０と、第１電極２１又は第２電極２２との間に読み出し電流を流す。読み出し電流は、書き込み電流より小さく、磁壁１０Ｃは移動しない。磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は、磁壁移動層１０及び第１強磁性層４０に対してｚ方向に読み出し電流を印加することで、オームの法則から求められる。磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は、データに変換される。
＜磁壁移動層＞
図２は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子における磁壁移動層１０を拡大した断面図である。磁壁移動層１０は、第１層１１と第２層１２とＳＯＴ抑制部１３とを有する。
第１層１１と第２層１２とは、ｚ方向に交互に積層されている。図２における磁壁移動層１０の最下層（最も−ｚ方向に位置する層）は、第１層１１であるが、第２層１２でもよい。第１面１１ａ、１２ａは、第１層１１及び第２層１２の積層面である。
第１層１１は、希土類金属を含む。第１層１１は、例えば、Ｔｂ、Ｇｂ、又は、これらの合金を含む。第１層１１の厚みは、例えば、０．１〜３ｎｍである。
第２層１２は、遷移金属を含む。第２層１２は、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ、ＣｏＦｅＢである。を含む。第２層１２の厚みは、例えば、０．１〜３ｎｍである。
第１層１１及び第２層１２の組み合わせは、例えば、Ｇｄ−Ｃｏ系材料、Ｔｂ−Ｃｏ系材料である。Ｇｄ−Ｃｏ系材料、Ｔｂ−Ｃｏ系材料等のフェリ磁性体は、飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流が小さい。
ＳＯＴ抑制部１３は、第１層１１と第２層１２との界面に位置する。ＳＯＴ抑制部１３は、非磁性の金属を含む。ＳＯＴ抑制部１３は、例えば、原子番号４８以下の非磁性遷移金属を含む。
ＳＯＴ抑制部１３は、第１層１１と第２層１２との界面において、局所的に分布する。「局所的に分布する」とは、第１層１１と第２層１２との界面において一様に存在しないことを意味する。
図３から図５は、ＳＯＴ抑制部１３Ａ〜１３Ｃの分布を模式的に示した斜視図である。図３から図５は、第２層１２の第１面１２ａにおけるＳＯＴ抑制部１３Ａ〜１３Ｃの分布の例を示した図である。図３から図５におけるＳＯＴ抑制部１３Ａ〜１３Ｃは均一な層となっておらず、いずれも第１層１１と第２層１２との界面において一様に存在しない。
図３に示すＳＯＴ抑制部１３Ａは、第２層１２の第１面１２ａに島状に点在している。複数のＳＯＴ抑制部１３Ａは、不連続に分布している。
図４に示すＳＯＴ抑制部１３Ｂは、第２層１２の第１面１２ａに帯状に分布している。複数のＳＯＴ抑制部１３Ｂが不連続に分布している。ＳＯＴ抑制部１３Ｂは、ｘ方向と交差する方向（例えば、ｙ方向）に延びる。
図５に示すＳＯＴ抑制部１３Ｃは、第２層１２の第１面１２ａが露出する開口部を有し、連続して分布している。
図３に示すＳＯＴ抑制部１３Ａは、層を形成しない条件でスパッタリングを行うと、原子同士が凝集し形成される。層を形成しない条件は、例えば、成膜厚みが一原子層以下の厚みとなる条件である。図４及び図５に示すＳＯＴ抑制部１３Ｂ，１３Ｃは、マスク等を介して成膜することで得られる。
図３から図５は、第２層１２の第１面１２ａを例に説明したが、第１層１１の第１面１１ａも同様である。また複数の第１層１１及び第２層１２のそれぞれの第１面１１ａ、１２ａにおけるＳＯＴ抑制部１３の分布は同一である必要はなく、それぞれ異なっていてもよい。
ＳＯＴ抑制部１３は、上述のようにスパッタリング等により形成される。ＳＯＴ抑制部１３は、例えば、第１層１１と第２層１２との界面（第１面１１ａ、１２ａ）から＋ｚ方向に突出する。スパッタリング時の打ち込み強度によっては、ＳＯＴ抑制部１３は、第１層１１と第２層１２との界面（第１面１１ａ、１２ａ）から−ｚ方向に窪んでもよい。
ＳＯＴ抑制部１３の一つの界面における総面積は、例えば、第１層１１と第２層１２との界面の面積の２０％以上であることが好ましく、３０％以上であることがより好ましい。またＳＯＴ抑制部１３の一つの界面における総面積は、例えば、第１層１１と第２層１２との界面の面積の８０％以下であることが好ましく、７０％以下であることがより好ましい。総面積は、ｚ方向からの平面視で、一つの界面においてＳＯＴ抑制部１３が占める全面積である。
ＳＯＴ抑制部１３は、第１層１１に含まれる希土類金属と、第２層１２に含まれる遷移金属と、のミキシングを防ぐ。第１層１１及び第２層１２は、例えば、スパッタリングで積層される。例えば、第１層１１の第１面１１ａに第２層１２を構成する元素を打ち込むと、第１層１１に第２層１２の材料がミキシングする場合がある。
ミキシングが生じた部分は、磁壁移動層１０内をｘ方向に移動する電子の散乱原因となる。電子の散乱は、スピンホール効果を生み出す原因の一つである。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きと直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を発現し、磁壁移動層１０内の磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０ＢにＳＯＴを与える。
ここで磁壁移動層１０内の磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂの反転に作用するスピントランスファートルク（ＳＴＴ）とＳＯＴについて説明する。
ＳＴＴは、磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂに対して１８０°反対方向に作用する。例えば、図１において第２電極２２から第１電極２１に向って電流を流す。電子は電流と反対方向に流れるため、電子は第１電極２１から第２電極２２に向かって移動する。第１磁区１０Ａを通過した電子は、磁化Ｍ１０Ａの影響を受けて−ｚ方向に配向したスピンとなる。−ｚ方向に配向したスピンは、第２磁区１０Ｂに注入される。第２磁区１０Ｂに注入された−ｚ方向に配向したスピンは、＋ｚ方向に配向した磁化Ｍ１０Ｂに対して１８０°反対方向のトルクを加える。磁化Ｍ１０Ｂは、熱等で揺らいでいる。磁化Ｍ１０Ｂが＋ｚ方向からわずかに傾いたタイミングで、１８０°反対方向のトルクが加わると、磁化Ｍ１０Ｂは歳差運動をしながら反転する。第２磁区１０Ｂの磁化Ｍ１０Ｂの一部が反転すると、磁壁１０Ｃは＋ｘ方向に移動する。
これに対しＳＯＴは、磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂに対して９０°傾いた方向に作用する。図６は、ＳＯＴについて説明するための磁壁移動型磁気記録素子１００の断面図である。例えば、図６に示すように第２電極２２から第１電極２１に向って電流Ｉを流す。スピンホール効果が生じると、一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１は進行方向に対し＋ｚ方向に曲げられ、−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２は進行方向に対して−ｚ方向に曲げられる。
スピンホール効果は、磁性体中では基本的に生じにくい。しかしながら、磁壁移動層１０に磁性体同士がミキシングした部分があると、その部分で電子が散乱し、スピンホール効果が生じる。＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１及び−ｙ方向に配向した第２スピンＳ２は、＋ｚ方向に配向した磁化Ｍ１０Ｂ（図１参照）に対して、９０°傾いた方向に作用するＳＯＴを加える。磁化Ｍ１０Ｂは、まず９０°まで素早く倒れ、その後反転する。トルクの作用する方向の関係上、ＳＯＴによる磁化反転は、ＳＴＴによる磁化反転より素早く生じる。
磁壁移動層１０の磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂに対してＳＴＴとＳＯＴとが同時に作用すると、ＳＴＴとＳＯＴとは作用するベクトル方向が異なるため、ＳＯＴはＳＴＴによる磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂの歳差運動を乱す。すなわち、ＳＯＴは、ＳＴＴによる磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂの反転を乱す原因となる。換言すると、ＳＯＴの発現を抑制できると、磁壁移動層１０の磁壁１０Ｃの移動が効率的になる。
ＳＯＴ抑制部１３は、第１層１１と第２層１２との界面に位置する。ＳＯＴ抑制部１３は、第１層１１と第２層１２とのミキシングを防ぎ、ＳＯＴの発現を抑制する。ＳＯＴ抑制部１３は、非磁性の遷移金属であり、第１層１１と第２層１２とミキシングが生じても、スピンホール効果は生じない。またＳＯＴ抑制部１３を構成する原子は、第１層１１及び第２層１２を構成する原子より軽い。ＳＯＴ抑制部１３を構成する原子は、第１層１１及び第２層１２に打ち込まれにくく、ミキシング自体がほとんど生じない。
またＳＯＴ抑制部１３は、層を形成しておらず、局所的に分布しており、第１層１１と第２層１２との磁気的な相関を大きく阻害しない。第１層１１と第２層１２との磁気的な相関が維持されることで、磁壁移動層１０の磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂの配向性が向上し、データの安定した保持が可能となる。
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層４０は、ｚ方向から平面視で第１電極２１と第２電極２２との間に位置する（図１参照）。第１強磁性層４０は、例えばｘ方向に長軸を有する。
第１強磁性層４０は、強磁性体を含む。第１強磁性層４０を構成する強磁性材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅが挙げられる。
また第１強磁性層４０を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
第１強磁性層４０の膜厚は、第１強磁性層４０の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、１．５ｎｍ以下とすることが好ましく、１．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。第１強磁性層４０の膜厚を薄くすると、第１強磁性層４０と他の層（非磁性層３０）との界面で、第１強磁性層４０に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を付加できる。すなわち、第１強磁性層４０の磁化の向きをｚ方向にできる。
＜非磁性層＞
非磁性層３０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３０が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
＜第１電極、第２電極＞
第１電極２１及び第２電極２２は、磁壁移動層１０に面する。第１電極２１及び第２電極２２と磁壁移動層１０との間に、他の層を有してもよい。第１電極２１及び第２電極２２は、磁壁移動層１０のいずれの面に面してもよい。第１電極２１及び第２電極２２は、互いに離間して配置される。
第１電極２１及び第２電極２２は、例えば、磁性体である。第１電極２１の磁化の配向方向は第１磁区１０Ａと同じ方向（例えば、−ｚ方向）であり、第２電極２２の磁化の配向方向は第２磁区１０Ｂと同じ方向（例えば、＋ｚ方向）である。第１電極２１及び第２電極２２の磁化が所定の方向に固定されていると、磁壁１０Ｃの移動範囲が限定される。例えば、第１電極２１の磁化が−ｚ方向に配向していると、第１電極２１の直下の第１磁区１０Ａの磁化は−ｚ方向に固定される。磁壁１０Ｃは、第１電極２１の第１強磁性層４０側の端部より−ｘ方向への移動が制限される。
第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００は、ＳＯＴ抑制部１３を有することで、磁壁移動層１０内にＳＯＴが発現することが抑制されている。ＳＯＴは、ＳＴＴによる磁化反転を阻害するため、磁壁１０Ｃの移動を乱す原因となる。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁壁１０Ｃを効率的に動かすことができ、少ない消費電力で駆動できる。
以上、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００の一例について詳述したが、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
「変形例１」
図７は、変形例１にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁壁移動層１５を拡大した断面図である。図２に示す磁壁移動層１０と同一の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。磁壁移動層１５は、第１層１１と第２層１２とＳＯＴ抑制部１３とを有する。
変形例１において、ＳＯＴ抑制部１３は、第２層１２の第１面１２ａ（積層面）上にのみ存在する。第２層１２の第１面１２ａは、第１層１１を構成する希土類金属が打ち込まれる。希土類金属は、第２層１２を構成する遷移金属より重く大きい。重く大きい原子は、スパッタリングにより他の層に打ち込まれやすく、ミキシングを生じやすい。また重く大きい原子は、電子の散乱原因となり、スピンホール効果を顕著に発現する原因となる。つまり、第１層１１にミキシングした遷移金属よりも第２層１２にミキシングした希土類金属の方が、スピンホール効果による大きなＳＯＴを生じさせる原因となる。第２層１２の第１面１２ａをＳＯＴ抑制部１３で保護することで、ＳＯＴの発現を抑制できる。
「変形例２」
図８は、変形例２にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁壁移動層１６を拡大した断面図である。図２に示す磁壁移動層１０と同一の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。磁壁移動層１６は、第１層１１と第２層１２とＳＯＴ抑制部１３とを有する。
図８に示す第１層１１及び第２層１２の第１面１１ａ、１２ａは、積層される面の形状を反映し、凹凸を有する。第１面１１ａ、１２ａから突出したＳＯＴ抑制部１３により積層面に凹凸が形成される。ここで「反映」とは、第１面１１ａ、１２ａが、積層される積層面の形状を完全に反映させることまでは要しない。隣接する層の表面形状の変化率が、ｚ方向に対して１０％以内、かつ、ｘｙ方向に対して１０％以内であれば、反映していると言える。
「変形例３」
図９は、変形例３にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００Ａの断面図である。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と同一の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
磁壁移動型磁気記録素子１００Ａは、ＳＯＴ抑制部１３がｚ方向からの平面視で、第１強磁性層４０と重なる位置にある。磁壁移動型磁気記録素子１００Ａの抵抗値は、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層４０と重なる位置における磁壁移動層１０の磁化の状態によって変化する。換言すると、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層４０と重ならない位置に磁壁１０Ｃ（図１参照）が位置する場合は、磁壁移動型磁気記録素子１００Ａの抵抗値は変化しない。従って、磁壁１０Ｃの動きを最も制御すべき箇所は、磁壁移動層１０においてｚ方向からの平面視で第１強磁性層４０と重なる部分である。変形例３にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００Ａは、当該部分にＳＯＴ抑制部１３が設けられており、磁壁１０Ｃの移動を十分制御できる。
「変形例４」
図１０は、変形例４にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００Ｂの断面図である。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と同一の構成については、同様の符号を付し、説明を省く。
磁壁移動型磁気記録素子１００Ｂは、磁壁移動層１０の第１強磁性層４０に面する第１面１０ａと反対側の面に、下地層５０を有する。
下地層５０は、第１強磁性金属層１を含む各層の結晶配向性、結晶粒径等の結晶性を制御する。下地層５０は、磁壁移動層１０の磁化Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂ及び第１強磁性層４０の磁化Ｍ４０の配向性を高め、磁壁移動型磁気記録素子１００Ｂの抵抗変化率を大きくする。
下地層５０は、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ又はＳｉＮの単層又はこれらの積層体である。下地層５０に電流が流れると、下地層５０でスピンホール効果が生じる。スピンホール効果により一方向に配向したスピン（例えば、＋ｙ方向）は、＋ｚ方向に移動し、磁壁移動層１０に注入される（図６参照）。磁壁移動層１０に注入されたスピンは、磁壁１０Ｃの移動を阻害する原因となる。上記の材料が下地層５０に用いられると、下地層５０に電流がほとんど流れない、または、流れてもスピンホール効果が生じにくい。すなわち、下地層５０が磁壁１０Ｃの移動を阻害しない。
「変形例５」
図１１は、変形例５にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００Ｃの斜視図である。図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ｃは、磁壁移動層１０と非磁性層３０との間に、第２強磁性層６０を備える点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。第２強磁性層６０は、磁壁移動層１０の磁気状態を反映する。
第２強磁性層６０は、磁性体を含む。第２強磁性層６０を構成する磁性体は、第１強磁性層４０と同様のものを用いることができる。
第２強磁性層６０は、磁壁移動層１０と互いに隣り合う。第２強磁性層６０の磁化Ｍ６ ０Ａ、Ｍ６０Ｂは、磁壁移動層１０の磁化と磁気結合している。第２強磁性層６０は、磁壁移動層１０の磁気状態を反映する。第２強磁性層６０と磁壁移動層１０とが強磁性カップリングする場合は、第２強磁性層６０の磁気状態は磁壁移動層１０の磁気状態と同一になる。第２強磁性層６０と磁壁移動層１０とが反強磁性カップリングする場合は、第２強磁性層６０の磁気状態は磁壁移動層１０の磁気状態と反対になる。
磁壁移動型磁気記録素子１００ＣのＭＲ比は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体（第１強磁性層４０と第２強磁性層６０）の磁気状態の変化により生じる。第２強磁性層６０は、第１強磁性層４０との間で、コヒーレントトンネル効果を得やすい材料を含むことが好ましい。
一方で、磁壁移動層１０は、磁壁１０Ｃの移動速度が遅くなる材料を含むことが好ましい。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の場合、磁壁移動層１０は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体の一方である。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の場合、磁壁移動層１０は、磁壁１０Ｃの移動速度が遅く、かつ、磁壁移動型磁気記録素子１００のＭＲ比を向上できる材料により構成されていることが好ましい。これに対し、図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ｃの場合、磁壁移動層１０は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体ではない。図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ｃの場合、磁壁移動層１０を構成する材料は、磁壁移動型磁気記録素子１００ＣのＭＲ比への影響が少ない。したがって、図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ｃは、磁壁移動層１０の材料選択の自由度が高まる。
「第２実施形態」
図１２は、第２実施形態にかかる磁壁移動素子１１０の斜視図である。図１２に示す磁壁移動素子１１０は、非磁性層３０及び第１強磁性層４０を有さない点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。
第２実施形態にかかる磁壁移動素子１１０は、上述の磁壁移動型磁気記録素子に適用することができる。またこの用途に限られず、他の用途にも適用できる。他の用途としては、例えば、磁壁移動素子１１０を各画素に配設して、磁気光学効果を利用して入射光を空間的に変調する空間光変調器に用いることができる。
「第３実施形態」
図１３は、第３実施形態にかかる磁気記録アレイ１２０の平面図である。図１３に示す磁気記録アレイ１２０は、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１３は、磁気記録アレイの一例であり、磁壁移動型磁気記録素子１００の種類、数及び配置は任意である。また図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００に代えて、変形例にかかる磁壁移動型磁気記録素子を用いてもよい。
それぞれの磁壁移動型磁気記録素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜ＷＬ３と、１本のビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、１本のリードラインＲＬ１〜ＲＬ３が接続されている。
電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００の磁壁移動層１０にパルス電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜ＲＬ３及びビットラインＢＬ１〜ＢＬ３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜ＷＬ３、ビットラインＢＬ１〜ＢＬ３、及びリードラインＲＬ１〜ＲＬ３はトランジスタ等により選択できる。それぞれが多値で情報を記録できる複数の磁壁移動型磁気記録素子１００にデータを記録することで、磁気記録アレイ１２０の高容量化を実現できる。
また磁壁移動型磁気記録素子１００は、“１”と“０”のデジタル信号ではなく、アナログにデータを記録できる。そのため、脳を模倣したニューロモロフィックデバイス等に磁気記録アレイ１２０を用いることができる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
１０、１５、１６ 磁壁移動層
１０Ａ 第１磁区
１０Ｂ 第２磁区
１０Ｃ 磁壁
１１ 第１層
１２ 第２層
１０ａ、１１ａ、１２ａ 第１面
１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ ＳＯＴ抑制部
２０ 電極
２１ 第１電極
２２ 第２電極
３０ 非磁性層
４０ 第１強磁性層
５０ 下地層
６０ 第２強磁性層
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ 磁壁移動型磁気記録素子
１１０ 磁壁移動素子
１２０ 磁気記録アレイ
Ｍ１０Ａ、Ｍ１０Ｂ、Ｍ４０、Ｍ５０Ａ、Ｍ５０Ｂ 磁化
ＲＬ１、ＲＬ２、ＲＬ３ リードライン
ＢＬ１、ＢＬ２、ＢＬ３ ビットライン
ＷＬ１、ＷＬ２、ＷＬ３ ワードライン

Claims (14)

  1. 希土類金属を含む第１層と遷移金属を含む第２層とが、第１方向に向かって交互に積層された磁壁移動層と、
    前記磁壁移動層に面し、互いに離間して配置された第１電極及び第２電極と、を備え、
    前記磁壁移動層は、前記第１層と前記第２層とのいずれかの界面に位置し、非磁性の金属を含むＳＯＴ抑制部を有し、
    前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面において局所的に分布する、磁壁移動素子。
  2. 前記ＳＯＴ抑制部は、原子番号４８以下の非磁性遷移金属を含む、請求項１に記載の磁壁移動素子。
  3. 前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面において不連続に分布する、請求項１又は２に記載の磁壁移動素子。
  4. 前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面において島状に点在する、請求項３に記載の磁壁移動素子。
  5. 前記ＳＯＴ抑制部は、前記界面から前記第１方向に向かって突出する、請求項１から４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  6. 前記ＳＯＴ抑制部は、前記第２層の積層面上にある、請求項１から５のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  7. 前記ＳＯＴ抑制部は、前記第２層の積層面上のみにある、請求項６に記載の磁壁移動素子。
  8. 前記ＳＯＴ抑制部の一つの界面における総面積は、前記界面の面積の２０％以上である、請求項１から７のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  9. 前記第１層は、Ｔｂ、Ｇｂ、又は、これらの合金を含む、請求項１から８のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の磁壁移動素子と、
    前記磁壁移動層に面し、前記第１方向からの平面視で前記第１電極と前記第２電極との間に位置する第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層と前記磁壁移動層との間に位置する非磁性層と、を備える、磁壁移動型磁気記録素子。
  11. 前記ＳＯＴ抑制部は、前記第１方向からの平面視で、前記第１強磁性層と重なる位置にある、請求項１０に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  12. 前記磁壁移動層と前記非磁性層との間に、第２強磁性層をさらに備える、請求項１０又は１１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  13. 前記磁壁移動層の前記第１強磁性層に面する第１面と反対側の面に、下地層をさらに備え、
    前記下地層は、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｃｕ、ＳｉＯ２、ＭｇＯ又はＳｉＮの単層又はこれらの積層体である、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  14. 請求項１０から１３のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子を複数備える、磁気記録アレイ。
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