JP7211564B1 - 磁壁移動素子、磁気アレイ及び磁壁移動素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本実施形態にかかる磁壁移動素子は、強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と非磁性層とを有する磁気抵抗効果素子と、前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層に接する第１領域と、前記第１領域の最も近くにある非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なる。
Description
本発明は、磁壁移動素子、磁気アレイ及び磁壁移動素子の製造方法に関する。
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に注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。
ＭＲＡＭは、磁化の向きの変化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。データ記録は、ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗変化素子のそれぞれが担っている。例えば、特許文献１には、第１磁化自由層（磁壁移動層）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気抵抗変化素子（磁壁移動素子）が記載されている。また特許文献１には、磁壁の移動範囲を制限する磁化固定領域を第１磁化自由層（磁壁移動層）の両端に設けることが記載されている。両端に設けられる磁化固定領域は、それぞれ磁化の配向方向が異なる。
磁化固定領域の磁化の配向方向は、例えば、外部磁場を印加することで決定される。しかしながら、磁化の配向方向がそれぞれ異なる２つの磁化固定領域を作製するためのプロセスは、一方の磁化固定領域の磁化を固定する際に他方の磁化固定領域の磁化が予期せぬ方向に配向する場合があり、複雑化しやすい。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、強磁性層の磁化の配向方向を決定しやすい磁壁移動素子、磁気アレイ及び磁壁移動素子の製造方法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、強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なる。
（２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１領域は、複数の強磁性層を含んでもよい。
（３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２領域は、非磁性の第２中間層と、前記第２中間層を挟んで互いに強磁性結合する複数の強磁性層と、を有してもよい。
（４）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記第１中間層と前記第２中間層とは、材料又は厚みが異なってもよい。
（５）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記第２中間層を複数有し、前記第１中間層と複数の前記第２中間層とのうちのいずれかは、他の層と材料又は厚みが異なってもよい。
（６）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１中間層は、複数の非磁性層からなってもよい。
（７）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１中間層の厚みは、１ｎｍ以上であってもよい。
（８）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１中間層は、非磁性体が点在する不連続膜である、又は、開口を有する構成でもよい。
（９）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１中間層は、酸化物又はアモルファスであってもよい。
（１０）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２中間層は、複数の非磁性層からなってもよい。
（１１）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２中間層の厚みは、１ｎｍ以上であってもよい。
（１２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２中間層は、非磁性体が点在する不連続膜である、又は、開口を有する構成でもよい。
（１３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２中間層は、酸化物又はアモルファスであってもよい。
（１４）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１領域は、非磁性の第３中間層と、前記第３中間層を挟んで互いに反強磁性結合する複数の強磁性層と、を有してもよい。
（１５）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１領域の保磁力は、前記第２領域の保磁力より大きくてもよい。
（１６）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、静磁気結合していてもよい。
（１７）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２領域を構成する強磁性層の磁化の配向方向と、前記参照層の磁化の配向方向とが、異なってもよい。
（１８）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記第１磁化固定層に接する第１電極と、前記第２磁化固定層に接する第２電極と、をさらに備え、前記第１電極と前記第２電極とは、形状が異なってもよい。
（１９）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２電極は、前記第２磁化固定層の側面の一部を被覆してもよい。
（２０）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２電極は、前記第２磁化固定層に接する第１面の周囲長は、前記第１面と反対の第２面の周囲長より短くてもよい。
（２１）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２電極は、積層方向から見て、前記磁壁移動層が延びる第１方向における前記磁壁移動層の中点と重なってもよい。
（２２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１磁化固定層の前記第２磁化固定層側の第１側面を被覆する絶縁層と、前記第１側面と反対側の第２側面を被覆する絶縁層とは、材料が異なってもよい。
（２３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記磁壁移動層の厚さは、前記第１磁化固定層又は前記第２磁化固定層と直接的又は間接的に接する接触部分の方が、２つの前記接触部分の中間地点における厚さより厚くてもよい。
（２４）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２磁化固定層は、非磁性の第４中間層を有し、前記第４中間層は、前記第１中間層と同じ材料を含んでもよい。
（２５）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記磁壁移動層の前記非磁性層と反対側の面に接する導電層をさらに備えてもよい。
（２６）第２の態様にかかる磁気アレイは、上記態様にかかる磁壁移動素子を複数有する。
（２７）第３の態様にかかる磁壁移動素子の製造方法は、強磁性体を含む参照層、非磁性層、強磁性体を含む磁壁移動層を順に積層する工程と、前記磁壁移動層上に、強磁性体を含む第１層、非磁性の中間層、強磁性体を含む第２層が順に積層された積層体を形成する工程と、前記積層体の一部を前記磁壁移動層に至るまで除去し、互いに離間する２つの積層体を形成する工程と、前記２つの積層体のうちの１方の前記第２層を少なくとも除去する工程と、を有する。
上記態様にかかる磁壁移動素子、磁気アレイ及び磁壁移動素子の製造方法は、強磁性層の磁化の配向方向を容易に決定できる。
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。
まず方向について定義する。ｘ方向及びｙ方向は、後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面と略平行な方向である。ｘ方向は、後述する磁壁移動層１が延びる方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｚ方向は、後述する基板Ｓｕｂから磁壁移動素子へ向かう方向である。本明細書において、＋ｚ方向を「上」、－ｚ方向を「下」として表す場合があるが、これら表現は便宜上のものであり、重力方向を規定するものではない。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気アレイの構成図である。磁気アレイ２００は、複数の磁壁移動素子１００と、複数の第１配線ＷＬと、複数の第２配線ＣＬと、複数の第３配線ＲＬと、複数の第１スイッチング素子ＳＷ１と、複数の第２スイッチング素子ＳＷ２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３と、を備える。磁気アレイ２００は、例えば、磁気メモリ、積和演算器、ニューロモーフィックデバイス、スピンメモリスタ、磁気光学素子に利用できる。
図１は、第１実施形態にかかる磁気アレイの構成図である。磁気アレイ２００は、複数の磁壁移動素子１００と、複数の第１配線ＷＬと、複数の第２配線ＣＬと、複数の第３配線ＲＬと、複数の第１スイッチング素子ＳＷ１と、複数の第２スイッチング素子ＳＷ２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３と、を備える。磁気アレイ２００は、例えば、磁気メモリ、積和演算器、ニューロモーフィックデバイス、スピンメモリスタ、磁気光学素子に利用できる。
第１配線ＷＬのそれぞれは、書き込み配線である。第１配線ＷＬはそれぞれ、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気アレイ２００の一端に接続される。
第２配線ＣＬのそれぞれは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方に用いることができる配線である。第２配線ＣＬのそれぞれは、基準電位と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。第２配線ＣＬは、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁壁移動素子１００に亘って設けられてもよい。
第３配線ＲＬのそれぞれは、読み出し配線である。第３配線ＲＬはそれぞれ、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気アレイ２００の一端に接続される。
図１において、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３が接続されている。第１スイッチング素子ＳＷ１は、磁壁移動素子１００と第１配線ＷＬとの間に接続されている。第２スイッチング素子ＳＷ２は、磁壁移動素子１００と第２配線ＣＬとの間に接続されている。第３スイッチング素子ＳＷ３は、磁壁移動素子１００と第３配線ＲＬとの間に接続されている。
第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線ＷＬと第２配線ＣＬとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第２配線ＣＬと第３配線ＲＬとの間に読み出し電流が流れる。
第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３のいずれかは、同じ配線に接続された磁壁移動素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子ＳＷ１を共有する場合は、第１配線ＷＬの上流（一端）に一つの第１スイッチング素子ＳＷ１を設ける。例えば、第２スイッチング素子ＳＷ２を共有する場合は、第２配線ＣＬの上流（一端）に一つの第２スイッチング素子ＳＷ２を設ける。例えば、第３スイッチング素子ＳＷ３を共有する場合は、第３配線ＲＬの上流（一端）に一つの第３スイッチング素子ＳＷ３を設ける。
図２は、第１実施形態に係る磁気アレイ２００の磁壁移動素子１００の近傍の断面図である。図２は、図１における一つの磁壁移動素子１００を磁壁移動層１のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
図２に示す第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソースＳ及びドレインＤと、を有する。ソースＳとドレインＤは、電流の流れ方向によって既定されるものであり、いずれも活性領域である。図２は一例を示しただけであり、ソースＳとドレインＤの位置関係は反転していてもよい。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。第３スイッチング素子ＳＷ３は、第３配線ＲＬと電気的に接続され、例えば、図２においてｙ方向にずれた位置にある。
トランジスタＴｒのそれぞれと磁壁移動素子１００とは、配線ｗ１、ｗ２を介して、電気的に接続されている。配線ｗ１、ｗ２は、導電性を有する材料を含む。配線ｗ１は、ｚ方向に延びるビア配線である。配線ｗ２は、ｘｙ面内のいずれかの方向に延びる面内配線である。配線ｗ１、ｗ２は、絶縁層９０の開口内に形成される。
絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。磁壁移動素子１００とトランジスタＴｒとは、配線ｗ１、ｗ２を除いて、絶縁層９０によって電気的に分離されている。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等である。
図２では、磁壁移動素子１００が絶縁層９０を挟んで基板Ｓｕｂの上方にある例を示したが、磁壁移動素子１００は基板Ｓｕｂ上にあってもよい。
「磁壁移動素子」
図３は、磁壁移動素子１００を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図３は、図４のＡ－Ａ線に沿った断面である。図４は、磁壁移動素子１００をｚ方向から平面視した平面図である。図に示す矢印は、強磁性体の磁化の配向方向の一例である。
図３は、磁壁移動素子１００を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図３は、図４のＡ－Ａ線に沿った断面である。図４は、磁壁移動素子１００をｚ方向から平面視した平面図である。図に示す矢印は、強磁性体の磁化の配向方向の一例である。
磁壁移動素子１００は、例えば、磁気抵抗効果素子１０と第１磁化固定層２０と第２磁化固定層３０とを有する。磁壁移動素子１００は、例えば、３つの電極４０、４１、４２に接続された３端子型の素子である。磁壁移動素子１００の周囲は、絶縁層９０で覆われている。
磁気抵抗効果素子１０は、磁壁移動層１と非磁性層２と参照層３とを備える。磁気抵抗効果素子１０は、例えば、基板Ｓｕｂに近い側から参照層３、非磁性層２、磁壁移動層１の順に備える。磁気抵抗効果素子１０にデータを書き込む際は、磁壁移動層１に沿って書き込み電流を流す。磁気抵抗効果素子１０からデータを読み出す際は、電極４０と電極４１又は電極４２との間に読み出し電流を流し、磁気抵抗効果素子１０のｚ方向に電流を印加する。
磁壁移動層１は、ｘ方向に延びる。磁壁移動層１は、内部に複数の磁区を有し、複数の磁区の境界に磁壁ＤＷを有する。磁壁移動層１は、例えば、磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。磁壁移動層１は、アナログ層、磁気記録層と呼ばれる場合がある。
磁壁移動層１は、磁化固定領域Ａ１と磁化固定領域Ａ２と磁壁移動領域Ａ３を有する。磁化固定領域Ａ１は、ｚ方向から見て第１磁化固定層２０と重なる領域である。磁化固定領域Ａ２は、ｚ方向から見て第２磁化固定層３０と重なる領域である。磁壁移動領域Ａ３は、磁壁移動層１の磁化固定領域Ａ１及び磁化固定領域Ａ２以外の領域である。磁壁移動領域Ａ３は、例えば、ｘ方向に磁化固定領域Ａ１と磁化固定領域Ａ２とに挟まれる領域である。
磁化固定領域Ａ１の磁化ＭＡ１は、第１磁化固定層２０の磁化Ｍ２１によって固定されている。磁化固定領域Ａ２の磁化ＭＡ２は、第２磁化固定層３０の磁化Ｍ３０によって固定されている。磁化が固定されているとは、磁壁移動素子１００の通常の動作（想定を超える外力が印加されていない）において、磁化が反転しないことをいう。磁化固定領域Ａ１の磁化ＭＡ１と磁化固定領域Ａ２の磁化ＭＡ２とは、例えば、配向方向が反対である。
磁壁移動領域Ａ３は、磁化の向きが変化し、磁壁ＤＷが移動できる領域である。磁壁移動領域Ａ３は、第１磁区Ａ３ａと第２磁区Ａ３ｂとを有する。第１磁区Ａ３ａの磁化ＭＡ３ａと第２磁区Ａ３ｂの磁化ＭＡ３ｂとは、例えば、配向方向が反対である。第１磁区Ａ３ａと第２磁区Ａ３ｂとの境界が磁壁ＤＷである。第１磁区Ａ３ａの磁化ＭＡ３ａは、例えば、磁化固定領域Ａ１の磁化ＭＡ１と同じ方向に配向する。第２磁区Ａ３ｂの磁化ＭＡ３ｂは、例えば、磁化固定領域Ａ２の磁化ＭＡ２と同じ方向に配向する。磁壁ＤＷは、原則、磁壁移動領域Ａ３内を移動し、磁化固定領域Ａ１及び磁化固定領域Ａ２には侵入しない。
磁壁移動領域Ａ３内における第１磁区Ａ３ａと第２磁区Ａ３ｂとの体積の比率が変化すると、磁壁ＤＷが移動する。磁壁ＤＷは、磁壁移動領域Ａ３のｘ方向に書き込み電流を流すことによって移動する。例えば、磁壁移動領域Ａ３に＋ｘ方向の書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の－ｘ方向に流れるため、磁壁ＤＷは－ｘ方向に移動する。第１磁区Ａ３ａから第２磁区Ａ３ｂに向って電流が流れる場合、第２磁区Ａ３ｂでスピン偏極した電子は、第１磁区Ａ３ａの磁化を磁化反転させる。第１磁区Ａ３ａの磁化が反転することで、磁壁ＤＷは－ｘ方向に移動する。
磁壁移動層１は、磁性体を含む。磁壁移動層１は、強磁性体、フェリ磁性体、又はこれらと電流により磁気状態を変化させることが可能な反強磁性体との組み合わせでもよい。磁壁移動層１は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。磁壁移動層１に用いられる材料として、例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＣｏＦｅとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料が挙げられる。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁ＤＷを移動するために必要な閾値電流が小さくなる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁ＤＷの移動速度が遅くなる。反強磁性体は、例えば、Ｍｎ３Ｘ（ＸはＳｎ、Ｇｅ、Ｇａ、Ｐｔ、Ｉｒ等）、ＣｕＭｎＡｓ、Ｍｎ２Ａｕ等である。磁壁移動層１は、後述する参照層３と同様の材料を適用することもできる。
非磁性層２は、磁壁移動層１と参照層３との間に位置する。非磁性層２は、参照層３の一面に積層される。
非磁性層２は、例えば、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。非磁性層２が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層２はトンネルバリア層である。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
非磁性層２の厚みは、例えば、２０Å以上であり、２５Å以上でもよい。非磁性層２の厚みが厚いと、磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０４Ωμｍ２以上であることが好ましく、５×１０４Ωμｍ２以上であることがより好ましい。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの磁壁移動素子１００の素子抵抗と磁壁移動素子１００の素子断面積（非磁性層２をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。
参照層３は、磁壁移動層１と共に、非磁性層２を挟む。参照層３は、例えば、電極４０上にある。参照層３は、基板Ｓｕｂ上に積層されてもよい。参照層３は、磁壁移動層１とｚ方向に重なる位置にある。参照層３の磁化Ｍ３は、磁壁移動層１の磁壁移動領域Ａ３の磁化ＭＡ３ａ、ＭＡ３ｂより反転しにくい。参照層３の磁化Ｍ３は、磁壁移動領域Ａ３の磁化ＭＡ３ａ、ＭＡ３ｂが反転する程度の外力が印加された際に向きが変化せず、固定されている。参照層３は、磁化固定層と言われる場合がある。参照層３は、複数の層からなってもよい。例えば、複数の強磁性層と、複数の強磁性層に挟まれる中間層とを有してもよい。中間層を挟む２つの強磁性層は磁気的に結合し、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ）となっていてもよい。
参照層３は、強磁性体を含む。参照層３は、例えば、磁壁移動層１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。参照層３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含む。参照層３は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅである。
参照層３は、例えば、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又は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磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０は、磁壁移動層１に直接的又は間接的に接続される。間接的に接続されるとは、第１磁化固定層２０と磁壁移動層１との間、第２磁化固定層３０と磁壁移動層１との間に他の層を挟むことを意味する。第１磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０は、例えば、磁壁移動層１上にある。第１磁化固定層２０と第２磁化固定層３０とは、ｘ方向に離間している。第１磁化固定層２０は、磁化固定領域Ａ１の磁化ＭＡ１を固定する。第２磁化固定層３０は、磁化固定領域Ａ２の磁化ＭＡ２を固定する。
第１磁化固定層２０は、第１領域Ｒ１と中間層２２と第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１は、磁壁移動層１の最も近くにある。第１領域Ｒ１は、例えば、磁壁移動層１に接する。中間層２２は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とに挟まれる。第２領域Ｒ２は、中間層２２に接する。中間層２２は、第１中間層の一例である。
例えば図３に示すように、第１領域Ｒ１は強磁性層２１からなり、第２領域Ｒ２は強磁性層２３からなる。強磁性層２１は、磁壁移動層１の最も近くにある。強磁性層２１は、例えば、磁壁移動層１に接する。強磁性層２１は、例えば、中間層２２に接する。強磁性層２１は、第１強磁性層の一例である。強磁性層２３は、例えば、中間層２２に接する。強磁性層２３は、第２強磁性層の一例である。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは膜構成が異なる。膜構成とは、膜厚、材料、組成、それぞれの領域を構成する層の積層順、等である。第１領域Ｒ１の保磁力は、例えば、第２領域Ｒ２の保磁力より大きい。
中間層２２に接し、中間層２２を挟む２つの強磁性層２１、２３は、強磁性結合している。そのため、強磁性層２１の磁化Ｍ２１の配向方向と、強磁性層２３の磁化Ｍ２３の配向方向とは一致する。強磁性結合は、層間交換結合でも、静磁気結合でもよい。強磁性結合が静磁気結合の場合は、強磁性層２１及び強磁性層２３と中間層２２との界面の状態の影響を受けにくく、磁化Ｍ２１、Ｍ２３の安定性が高い。
強磁性層２１及び強磁性層２３を構成する材料は、上述の参照層３又は上述の磁壁移動層１と同様である。強磁性層２１及び強磁性層２３は多層膜であってもよい。強磁性層２１と強磁性層２３とは、例えば、膜厚又は材料又は組成が異なる。
中間層２２は、非磁性体である。中間層２２を構成する材料は、例えば、上述の非磁性層２と同様である。中間層２２は、例えば、ＭｇＯ、Ｍｇ－Ａｌ－Ｏ、Ｍｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｐｄ、Ｐｔからなる群から選択されるいずれかを含む。
中間層２２は、例えば、酸化物である。酸化物は、一般に金属より硬く加工されにくい。詳細は後述するが、中間層２２は、製造時に第２磁化固定層３０上に形成される層と同一である。当該層が硬いと第２磁化固定層３０を加工する際のストッパーとなり、第２磁化固定層３０にエッチングダメージが加わることを抑制できる。
また中間層２２は、アモルファスでもよい。酸化物やアモルファスは抵抗が高く、電流印加時に発熱する。中間層２２が発熱すると、隣接する強磁性層２１、２３の磁化Ｍ２１、Ｍ２３が擾乱し、第１磁化固定層２０から生じる漏れ磁場が小さくなる。第１磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０からの漏れ磁場は、第１磁化固定層２０の飽和磁化と第２磁化固定層３０の飽和磁化とが一致する場合は磁壁移動層１のｘ方向の中央部分でキャンセルされるが、第１磁化固定層２０全体の飽和磁化と第２磁化固定層３０全体の飽和磁化とに差がある場合は、磁壁移動層１のｘ方向の中央部分にも生じる。漏れ磁場は、磁壁ＤＷの挙動を乱す原因となりうる。
中間層２２の厚みは、例えば、１ｎｍ以上である。中間層２２の厚みが十分厚いと、強磁性層２３のラフネスが小さくなる。また強磁性層２３と磁壁移動層１との距離が離れ、強磁性層２３からの漏れ磁場が磁壁移動層１へ与える影響が小さくなる。
他方、中間層２２の厚みは、十分薄くてもよい。例えば、中間層２２の厚みが原子数層レベルであり、中間層２２が完全な層を構成していなくてもよい。例えば、中間層２２は、非磁性体が点在する不連続膜であってもよいし、開口を有してもよい。中間層２２の一部に不連続な部分があると、強磁性層２１と強磁性層２３とが一部で接し、第１磁化固定層２０全体の抵抗値が下がる。第１磁化固定層２０全体の抵抗値が下がると、第１磁化固定層２０を介して磁壁移動層１に書き込み電流を流す際に、磁壁移動に要する電圧が小さくなる。
第２磁化固定層３０は、強磁性層からなる。第２磁化固定層３０は、磁壁移動層１の最も近くにある。第２磁化固定層３０は、例えば、磁壁移動層１に接する。第２磁化固定層３０は、第１領域Ｒ１の強磁性層２１と膜構成が同じである。詳細は後述するが、第２磁化固定層３０と強磁性層２１とは、同時に形成される層である。
第２磁化固定層３０の磁化Ｍ３０の配向方向は、第１領域Ｒ１の強磁性層２１、２３と磁化Ｍ２１、Ｍ２３の配向方向と反対である。
電極４０は、参照層３に接続されている。電極４１は、第１磁化固定層２０と接続されている。電極４１は、第１電極の一例である。電極４２は、第２磁化固定層３０と接続されている。電極４２は、第２電極の一例である。電極４０、４１、４２は、導電性を有する材料を含む。
電極４１と電極４２とは形状が異なる。電極４２の体積は、電極４１より大きい。電極４２は、例えば、共通配線である第２配線ＣＬに接続される。第２配線ＣＬは、書き込み時にも読出し時にも利用され、電極４２の体積が大きくなり抵抗が下がることで、寄生抵抗が下がる。電極４２の第２磁化固定層３０に接する第１面４２ａの周囲長Ｌ１は、例えば、第１面４２ａと反対の第２面４２ｂの周囲長Ｌ２より短い。電極４２が当該形状であると、電極４２の側面に沿って電流が流れ、電流の流れがスムーズになる。
磁壁移動素子１００の各層の磁化の向きは、例えば磁化曲線を測定することにより確認できる。磁化曲線は、例えば、ＭＯＫＥ（Magneto Optical Kerr Effect）を用いて測定できる。ＭＯＫＥによる測定は、直線偏光を測定対象物に入射させ、その偏光方向の回転等が起こる磁気光学効果(磁気Kerr効果)を用いることにより行う測定方法である。
次いで、磁壁移動素子１００の製造方法について説明する。磁壁移動素子１００は、第１積層工程と、第２積層工程と、第１加工工程と、第２加工工程と、磁化固定工程と、を有する。図５～図９は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の製造方法を説明するための図である。
まず第１積層工程では、強磁性体を含む参照層３、非磁性層２、強磁性体を含む磁壁移動層１を順に積層する。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。
次いで図５に示すように、第２積層工程として、磁壁移動層１上に、強磁性体を含む第１層８１、非磁性の中間層８２、強磁性体を含む第２層８３を順に積層する。これらの層を積層することで、第１層８１、中間層８２、第２層８３を有する積層体８０が形成される。各層の積層方法は、第１積層工程と同様である。
次いで、図６に示すように、第１加工工程として、積層体８０の一部を磁壁移動層１に至るまで除去する。加工は、フォトリソグラフィーおよびエッチング（例えば、Ａｒエッチング）等を用いて行うことができる。積層体８０の一部が除去されることで、磁壁移動層１上に互いに離間する第１磁化固定層２０と積層体８６とが形成される。積層体８６は、第２磁化固定層３０、中間層８４、強磁性層８５からなる。
次いで、図７に示すように、第２加工工程として、積層体８６の強磁性層８５を少なくとも除去する。中間層８４は、強磁性層８５よりエッチングされにくい。中間層８４は、第２加工工程でのエッチングにより第２磁化固定層３０がエッチングされることを防止する。その結果、一定体積の第２磁化固定層３０が残り、第２磁化固定層３０が所定値以上の保磁力を示す。
次いで、電極４１、４２を形成する。電極４１は、第１磁化固定層２０上に形成される。電極４２は、第２加工工程で形成された開口を導電体で埋め、さらに導電層を積層することで得られる。
次いで、図８に示すように、作製された磁壁移動素子１００に対して磁化固定工程を行う。まず磁壁移動素子１００に対して、一方向（例えば、－ｚ方向）に外部磁場Ｈｅｘ１を印加する。各層の磁化Ｍ２１、Ｍ２３、Ｍ３０は、外部磁場Ｈｅｘ１が印加された方向に配向する（例えば、－ｚ方向）。
次いで、図９に示すように、磁壁移動素子１００に対して、先ほど印加した外部磁場Ｈｅｘ１と反対方向に外部磁場Ｈｅｘ２を印加する。外部磁場Ｈｅｘ２は、外部磁場Ｈｅｘ１より小さい。外部磁場Ｈｅｘ２は、例えば、十分小さい強度から徐々に大きくしていく。第２領域Ｒ２は、第１領域Ｒ１より保磁力が小さい。外部磁場Ｈｅｘ２の印加により、保磁力の小さい強磁性層２３の磁化Ｍ２３がまず反転する。第２磁化固定層３０は一定の体積を有し、所定値以上の保磁力を有するため、磁化Ｍ３０は外部磁場Ｈｅｘ２では反転しない。
強磁性層２３の磁化Ｍ２３が反転すると、強磁性結合している強磁性層２１の磁化Ｍ２１が反転する。磁化Ｍ２１が反転することで、磁壁移動層１に接する２つの強磁性層（強磁性層２１と第２磁化固定層３０）の磁化の配向方向が反対向きになる。
上記の手順によって、図３に示す磁壁移動素子１００が作製される。複数の磁壁移動素子１００を同時に作製した場合でも、中間層８４がエッチングのストッパーとして機能し、それぞれの第２磁化固定層３０が過剰に除去されることはない。その結果、それぞれの第２磁化固定層３０は、一定の体積を有し、所定値以上の保磁力を有する。したがって、外部磁場Ｈｅｘ２によって、いくつかの磁壁移動素子１００の第２磁化固定層３０の磁化Ｍ３０が予期せず反転するという事態を避けられる。また強磁性結合を利用して磁化反転を行うため、小さな外部磁場Ｈｅｘ１、Ｈｅｘ２の印加だけで磁化方向を規定できる。また強磁性層２１と強磁性層２３を強磁性結合させることにより、反強磁性結合させる場合よりも強磁性層２１と強磁性層２３の間の抵抗値が下がる。強磁性層２１と強磁性層２３の間の抵抗値が下がると、第１磁化固定層２０を介して磁壁移動層１に書き込み電流を流す際に、磁壁移動に要する電圧が小さくなる。
また第２磁化固定層３０の磁化Ｍ３０の配向方向が安定化することで、複数の磁壁移動素子１００の間で磁化方向にばらつきが生じることを抑制できる。
「第２実施形態」
図１０は、第２実施形態にかかる磁壁移動素子１０１を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第２実施形態にかかる磁壁移動素子１０１は、第１磁化固定層２０Ａの構成が第１実施形態と異なる。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１０は、第２実施形態にかかる磁壁移動素子１０１を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第２実施形態にかかる磁壁移動素子１０１は、第１磁化固定層２０Ａの構成が第１実施形態と異なる。第２実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第１磁化固定層２０Ａは、第１領域Ｒ１と中間層２２と第２領域Ｒ２とを有する。図１０に示すように、第１領域Ｒ１は複数の強磁性層２１、２４からなり、第２領域Ｒ２は強磁性層２３からなる。強磁性層２４と強磁性層２３とは、中間層２２に接する。強磁性層２４は、第１強磁性層の一例である。強磁性層２３は、第２強磁性層の一例である。強磁性層２１と第２磁化固定層３０とは、膜構成が一致している。
中間層２２に接し、中間層２２を挟む２つの強磁性層２４、２３は、強磁性結合している。そのため、強磁性層２４の磁化Ｍ２４の配向方向と、強磁性層２３の磁化Ｍ２３の配向方向とが一致する。強磁性層２１と強磁性層２４とは直接接するため、磁化Ｍ２１、Ｍ２４の配向方向は一致している。強磁性層２４を構成する材料は、上述の参照層３と同様である。強磁性層２４は、例えば、強磁性層２１と材料又は組成が異なる。
第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１は、積層体８０を形成する際に、第１層８１と中間層８２との間に別の強磁性層を積層することで作製できる。
第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また第１領域Ｒ１が複数の強磁性層２１、２４からなることで、強磁性結合の強さ、第１磁化固定層２０Ａ全体としての保磁力の強さを調整できる。
「第３実施形態」
図１１は、第３実施形態にかかる磁壁移動素子１０２を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第３実施形態にかかる磁壁移動素子１０２は、第１磁化固定層２０Ｂの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１１は、第３実施形態にかかる磁壁移動素子１０２を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第３実施形態にかかる磁壁移動素子１０２は、第１磁化固定層２０Ｂの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第３実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第１磁化固定層２０Ｂは、第１領域Ｒ１と中間層２２と第２領域Ｒ２とを有する。図１１に示すように、第１領域Ｒ１は強磁性層２１からなり、第２領域Ｒ２は強磁性層２３と中間層２５との積層体からなる。強磁性層２１は、第１強磁性層の一例であり、複数の強磁性層２３のうち中間層２２と接する強磁性層２３は、第２強磁性層の一例である。中間層２５は、１層以上ある。中間層２５は、第２中間層の一例である。中間層２５のそれぞれは、単層でも多層でもよい。中間層２５のそれぞれは、例えば、複数の非磁性層からなってもよい。
中間層２２に接し、中間層２２を挟む２つの強磁性層２１、２３は、強磁性結合している。また中間層２５に接し、中間層２５を挟む２つの強磁性層２３は、強磁性結合している。その結果、強磁性層２１の磁化Ｍ２１の配向方向と、それぞれの強磁性層２３の磁化Ｍ２３の配向方向とが一致する。
中間層２５は、中間層２２と同様の材料からなる。中間層２２及び複数の中間層２５のそれぞれは、同じ材料からなってもよく、いずれか一つは他の層と材料又は厚みが異なってもよい。中間層２５は、例えば、酸化物である。中間層２５は、例えば、アモルファスである。中間層２２、２５の厚み、材質等で、隣接する強磁性層２１、２３の間の強磁性結合の強度を調整できる。中間層２５の厚みは、例えば、１ｎｍ以上である。
第３実施形態に係る磁壁移動素子１０２は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また中間層２５の挿入により第１磁化固定層２０Ｂの高さが高くなることで、第１磁化固定層２０Ｂの上面から生じる漏れ磁場が磁壁移動層１へ与える影響をより小さくできる。
「第４実施形態」
図１２は、第４実施形態にかかる磁壁移動素子１０３を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第４実施形態にかかる磁壁移動素子１０３は、第１磁化固定層２０Ｃの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１２は、第４実施形態にかかる磁壁移動素子１０３を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第４実施形態にかかる磁壁移動素子１０３は、第１磁化固定層２０Ｃの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第１磁化固定層２０Ｃは、第１領域Ｒ１と中間層２６と第２領域Ｒ２とを有する。図１２に示すように、第１領域Ｒ１は強磁性層２１からなり、第２領域Ｒ２は強磁性層２３からなる。中間層２６は、複数の非磁性層２６Ａ，２６Ｂからなる。
複数の非磁性層２６Ａ，２６Ｂのそれぞれは、中間層２２と同様の材料を用いることができる。
第４実施形態に係る磁壁移動素子１０３は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また中間層２６が複数の非磁性層２６Ａ，２６Ｂからなることで、中間層２２が１層で担っていた役割をそれぞれの非磁性層２６Ａ，２６Ｂに分けることができる。例えば、非磁性層２６Ａにミリング時のストッパーとして適切な材料を選択し、非磁性層２６Ｂに強磁性層２３の磁気特性を高める材料を選択することができる。
「第５実施形態」
図１３は、第５実施形態にかかる磁壁移動素子１０４を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第５実施形態にかかる磁壁移動素子１０４は、第１磁化固定層２０Ｄ及び第２磁化固定層３０Ａの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１３は、第５実施形態にかかる磁壁移動素子１０４を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第５実施形態にかかる磁壁移動素子１０４は、第１磁化固定層２０Ｄ及び第２磁化固定層３０Ａの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第４実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第１磁化固定層２０Ｄは、第１領域Ｒ１と中間層２２と第２領域Ｒ２とを有する。第１領域Ｒ１のうち中間層２２に接する強磁性層２９と第２領域Ｒ２のうち中間層２２に接する強磁性層２３とは、強磁性結合している。強磁性層２９は第１強磁性層の一例であり、強磁性層２３は第２強磁性層の一例である。
図１３に示すように、第１領域Ｒ１は強磁性層２７と中間層２８と強磁性層２９とからなり、第２領域Ｒ２は強磁性層２３からなる。強磁性層２７と強磁性層２９とは、中間層２８を挟んで反強磁性結合している。強磁性層２７の磁化Ｍ２７の配向方向と強磁性層２９の磁化Ｍ２９の配向方向とは、反対である。中間層２８は、第３中間層の一例である。中間層２８は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ等である。
また第２領域Ｒ２を構成する強磁性層２３の磁化Ｍ２３の配向方向と、参照層３の磁化Ｍ３の配向方向とは異なっている。磁壁移動素子１０４の最上層に位置する強磁性層２３の磁化Ｍ２３と最下層に位置する参照層３の磁化Ｍ３とが反平行な関係にあると、磁壁移動素子１０４全体としての漏れ磁場を低減でき、周囲の素子への影響を低減できる。
また第２磁化固定層３０Ａは、強磁性層３１と中間層３２と強磁性層３３とを有する。強磁性層３１と強磁性層３３とは、中間層３２を挟んで反強磁性結合している。強磁性層３１の磁化Ｍ３１の配向方向と強磁性層３３の磁化Ｍ３３の配向方向とは、反対である。第１領域Ｒ１のうち磁壁移動層１に接する強磁性層２７と、第２磁化固定層３０Ａのうち磁壁移動層１に接する強磁性層３１とは、膜構成が同じである。また中間層３２は中間層２８と同じ構成であり、強磁性層３３は強磁性層２９と同じ構成である。中間層３２は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈ等である。
第５実施形態に係る磁壁移動素子１０４は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また第１領域Ｒ１及び第２磁化固定層３０Ａがシンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ）となることで、第１領域Ｒ１及び第２磁化固定層３０Ａからの漏れ磁場を低減できる。
「第６実施形態」
図１４は、第６実施形態にかかる磁壁移動素子１０５を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第６実施形態にかかる磁壁移動素子１０５は、第２磁化固定層３０Ｂの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第６実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１４は、第６実施形態にかかる磁壁移動素子１０５を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第６実施形態にかかる磁壁移動素子１０５は、第２磁化固定層３０Ｂの構成が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第６実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第２磁化固定層３０Ｂは、強磁性層３４と中間層３５とを有する。中間層３５は、第４中間層の一例である。中間層３５は、積層体８６をミリングした後の中間層８４の残差である。また中間層３５と電極４２との間に、強磁性層をさらに有してもよい。中間層３５は、中間層２２と同じ材料を含む。中間層３５は、中間層２２と同時に形成される。
第６実施形態に係る磁壁移動素子１０５は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。
「第７実施形態」
図１５は、第７実施形態にかかる磁壁移動素子１０６を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第７実施形態にかかる磁壁移動素子１０６は、電極４２Ａの形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第７実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１５は、第７実施形態にかかる磁壁移動素子１０６を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第７実施形態にかかる磁壁移動素子１０６は、電極４２Ａの形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第７実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
電極４２Ａは、第２磁化固定層３０の側面の一部を被覆する。電極４２Ａが第２磁化固定層３０の側面を被覆することで、第２磁化固定層３０の放熱性が向上する。その結果、第２磁化固定層３０の磁化Ｍ３０の安定性が向上する。
第７実施形態に係る磁壁移動素子１０６は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。
「第８実施形態」
図１６は、第８実施形態にかかる磁壁移動素子１０７を磁壁移動層１Ａのｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第８実施形態にかかる磁壁移動素子１０７は、磁壁移動層１Ａの形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第８実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１６は、第８実施形態にかかる磁壁移動素子１０７を磁壁移動層１Ａのｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第８実施形態にかかる磁壁移動素子１０７は、磁壁移動層１Ａの形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第８実施形態において、第１実施形態と同様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１Ａは、厚さが一定ではない。第１磁化固定層２０又は第２磁化固定層３０と接する接触部分における磁壁移動層１Ａの厚さｈ２は、２つの接触部分のｘ方向の中間地点における厚さｈ１より厚い。磁壁移動層１Ａの上面は、参照層３に向かって凹むように湾曲している。磁壁移動層１Ａの上面は、例えば、参照層３に向かって凹む滑らかな湾曲面である。
第８実施形態に係る磁壁移動素子１０７は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また第１磁化固定層２０又は第２磁化固定層３０と接する接触部分の厚みが厚いと、当該部分での電流密度が小さくなり、磁化固定領域Ａ１、Ａ２への磁壁ＤＷの侵入をより防ぐことができる。また磁壁移動層１Ａの上面が湾曲することで、絶縁層９０と磁壁移動層１Ａとの界面で応力集中が生じることを防止できる。
「第９実施形態」
図１７は、第９実施形態にかかる磁壁移動素子１０８を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第９実施形態にかかる磁壁移動素子１０８は、絶縁層９１をさらに備える点が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第９実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１７は、第９実施形態にかかる磁壁移動素子１０８を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第９実施形態にかかる磁壁移動素子１０８は、絶縁層９１をさらに備える点が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第９実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
絶縁層９１は、第１磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０の外側面を被覆する。外側面とは、ｘ方向の外側に位置する側面である。外側面は、第２側面の一例である。第１磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０の内側面は、絶縁層９０で被覆されている。内側面は、第１側面の一例である。図１７では、第１磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０のｘ方向の側面が絶縁層９１で被覆されている例を示したが、ｙ方向の側面が絶縁層９１で被覆されていてもよい。
絶縁層９１は、絶縁層９０と同様の材料を用いることができる。絶縁層９１は、絶縁層９０と異なる。絶縁層９１の熱伝導率は、例えば、絶縁層９０の熱伝導率より高い。例えば、絶縁層９１がＭｇＯで、絶縁層９０がＳｉＯ２である。
第９実施形態に係る磁壁移動素子１０８は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また熱伝導性に優れる絶縁層９１が外側面にあることで、第１磁化固定層２０及び第２磁化固定層３０の磁化安定性の低下を防ぐことができる。また内側面を絶縁層９０で覆うことで、第１磁化固定層２０と第２磁化固定層３０との間に熱を溜め、磁壁移動層１の磁壁ＤＷの移動を促進できる。
「第１０実施形態」
図１８は、第１０実施形態にかかる磁壁移動素子１０９を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第１０実施形態にかかる磁壁移動素子１０９は、導電層５０をさらに備える点が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第１０実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１８は、第１０実施形態にかかる磁壁移動素子１０９を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第１０実施形態にかかる磁壁移動素子１０９は、導電層５０をさらに備える点が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第１０実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
導電層５０は、磁壁移動層１と接する。導電層５０は、非磁性層２と共に、磁壁移動層１を挟む。
導電層５０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。
導電層５０は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、導電層５０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。導電層５０は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属を含む。非磁性の重金属は、原子番号３９以上の原子番号が大きく、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有するため、スピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、導電層５０内にスピンが偏在しやすく、スピン流が発生しやすくなる。導電層５０は、例えば、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれかを含む。
導電層５０は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、磁壁移動層１にスピンを注入する。導電層５０は、例えば、磁壁移動層１の磁化にスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を与える。導電層５０から注入されたスピンにより生じるスピン軌道トルク（ＳＯＴ）は、磁壁ＤＷの移動をアシストする。磁壁移動層１の磁壁ＤＷは、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて動きやすくなる。
第１０実施形態に係る磁壁移動素子１０９は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また磁壁移動素子１０９は、導電層５０から磁壁移動層１へ注入されるスピンが磁壁ＤＷの移動をアシストするため、磁壁ＤＷを効率的に動かすことができ、消費電力が少ない。
「第１１実施形態」
図１９は、第１１実施形態にかかる磁壁移動素子１１０を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第１１実施形態にかかる磁壁移動素子１１０は、電極４２Ｂの形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第１１実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１９は、第１１実施形態にかかる磁壁移動素子１１０を磁壁移動層１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第１１実施形態にかかる磁壁移動素子１１０は、電極４２Ｂの形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と異なる。第１１実施形態において、第１実施形態と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
電極４２Ｂは、ｚ方向から見て、磁壁移動層１のｘ方向の中点と重なる。すなわち、電極４２は、磁壁移動層１の多くの部分と対向し、磁壁移動層１の多くの部分を覆っている。電極４２Ｂの第２磁化固定層３０側の第１面のｘ方向の幅は、例えば、第２磁化固定層３０のｘ方向の幅及び電極４１のｘ方向の幅より長い。また例えば、電極４２Ｂの第２磁化固定層３０側の第１面のｘ方向の幅は、磁壁移動層１のｘ方向の幅の半分より長い。
第１１実施形態に係る磁壁移動素子１１０は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また磁壁移動層１から対向する電極４２Ｂへ熱が逃げることで、磁壁移動素子１１０は放熱性に優れる。
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。例えば、それぞれの実施形態の特徴的な構成を組み合わせてもよいし、発明の要旨を変更しない範囲で一部を変更してもよい。
例えば、ここまで各層の側面がｚ方向に平行な例を示したが、例えば図２０に示すようにｚ方向に対して傾斜していてもよい。図２０に示す磁壁移動素子は、磁気抵抗効果素子１０のｘ方向の側面がｚ方向に対して傾斜している。ｚ方向に対して傾斜する面はｘ方向の側面に限られず、ｙ方向の側面が傾斜していてもよい。
１，１Ａ…磁壁移動層、２…非磁性層、３…参照層、１０…磁気抵抗効果素子、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｄ…第１磁化固定層、２１，２３，２４，２７，２９，３１，３３，３４，８５…強磁性層、２２，２５，２６，２８，３２，３５，８２，８４…中間層、２６Ａ，２６Ｂ…非磁性層、３０，３０Ａ，３０Ｂ…第２磁化固定層、４０，４１，４２，４２Ａ，４２Ｂ…電極、４２ａ…第１面、４２ｂ…第２面、５０…導電層、８０，８６…積層体、８１…第１層、８３…第２層、９０，９１…絶縁層、１００，１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６，１０７，１０８，１０９，１１０…磁壁移動素子、Ｒ１…第１領域、Ｒ２…第２領域
Claims (26)
- 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第２領域は、非磁性の第２中間層と、前記第２中間層を挟んで互いに強磁性結合する複数の強磁性層と、を有する、磁壁移動素子。 - 前記第１領域は、複数の強磁性層を含む、請求項１に記載の磁壁移動素子。
- 前記第１中間層と前記第２中間層とは、材料又は厚みが異なる、請求項１に記載の磁壁移動素子。
- 前記第２中間層を複数有し、
前記第１中間層と複数の前記第２中間層とのうちのいずれかは、他の層と材料又は厚みが異なる、請求項１に記載の磁壁移動素子。 - 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第１中間層は、複数の非磁性層からなる、磁壁移動素子。 - 前記第１中間層の厚みは、１ｎｍ以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第１中間層は、非磁性体が点在する不連続膜である、又は、開口を有する、磁壁移動素子。 - 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第１中間層は、酸化物又はアモルファスである、磁壁移動素子。 - 前記第２中間層は、複数の非磁性層からなる、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 前記第２中間層の厚みは、１ｎｍ以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 前記第２中間層は、非磁性体が点在する不連続膜である、又は、開口を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 前記第２中間層は、酸化物又はアモルファスである、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第１領域は、非磁性の第３中間層と、前記第３中間層を挟んで互いに反強磁性結合する複数の強磁性層と、を有する、磁壁移動素子。 - 前記第１領域の保磁力は、前記第２領域の保磁力より大きい、請求項１～１３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、静磁気結合している、請求項１～１４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第２領域を構成する強磁性層の磁化の配向方向と、前記参照層の磁化の配向方向とが、異なる、磁壁移動素子。 - 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第１磁化固定層に接する第１電極と、前記第２磁化固定層に接する第２電極と、をさらに備え、
前記第１電極と前記第２電極とは、形状が異なる、磁壁移動素子。 - 前記第２電極は、前記第２磁化固定層の側面の一部を被覆する、請求項１７に記載の磁壁移動素子。
- 前記第２電極は、前記第２磁化固定層に接する第１面の周囲長が、前記第１面と反対の第２面の周囲長より短い、請求項１７又は１８に記載の磁壁移動素子。
- 前記第２電極は、積層方向から見て、前記磁壁移動層が延びる第１方向における前記磁壁移動層の中点と重なる、請求項１７～１９のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記第１磁化固定層の前記第２磁化固定層側の第１側面を被覆する絶縁層と、前記第１側面と反対側の第２側面を被覆する絶縁層とは、材料が異なる、磁壁移動素子。 - 強磁性体を含む参照層及び磁壁移動層と、前記参照層と前記磁壁移動層との間にある非磁性層と、を有する磁気抵抗効果素子と、
前記磁壁移動層にそれぞれ直接的又は間接的に接し、互いに離間している第１磁化固定層と第２磁化固定層と、を備え、
前記第１磁化固定層は、前記磁壁移動層の最も近くにある第１領域と、前記第１領域に接する非磁性の第１中間層と、前記第１中間層に接する第２領域と、を有し、
前記第１領域は、前記第１中間層に接する第１強磁性層を有し、
前記第２領域は、前記第１中間層に接する第２強磁性層を有し、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層とは、強磁性結合し、
前記第１領域のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層と、前記第２磁化固定層のうち前記磁壁移動層の最も近くにある強磁性層とは、膜構成が同じであり、
前記第１領域と前記第２領域とは、膜構成が異なり、
前記参照層は、前記磁壁移動層より基板の近くにあり、
前記磁壁移動層の前記参照層側と反対側の上面は、前記基板に向かって凹み、
前記磁壁移動層の厚さは、前記第１磁化固定層又は前記第２磁化固定層と直接または間接的に接する接触部分の方が、２つの前記接触部分の中間地点における厚さより厚い、磁壁移動素子。 - 前記第２磁化固定層は、非磁性の第４中間層を有し、
前記第４中間層は、前記第１中間層と同じ材料を含む、請求項１～２２のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。 - 前記磁壁移動層の前記非磁性層と反対側の面に接する導電層をさらに備える、請求項１～２３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。
- 請求項１～２４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子を複数有する、磁気アレイ。
- 強磁性体を含む参照層、非磁性層、強磁性体を含む磁壁移動層を順に積層する工程と、
前記磁壁移動層上に、強磁性体を含む第１層、非磁性の中間層、強磁性体を含む第２層が順に積層された積層体を形成する工程と、
前記積層体の一部を前記磁壁移動層に至るまで除去し、互いに離間する２つの積層体を形成する工程と、
前記２つの積層体のうちの１方の前記第２層を少なくとも除去する工程と、を有する磁壁移動素子の製造方法。
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