WO2007015474A1

WO2007015474A1 - 磁気メモリー

Info

Publication number: WO2007015474A1
Application number: PCT/JP2006/315188
Authority: WO
Inventors: Stewart E. Barnes; Sadamichi Maekawa; Jun'ichi Ieda
Original assignee: Japan Science And Technology Agency
Priority date: 2005-08-01
Filing date: 2006-08-01
Publication date: 2007-02-08
Also published as: JP4962889B2; JPWO2007015474A1; WO2007015474A8

Abstract

　外部磁場を印加しないで、電流による書き込み及び読み出しができる磁気メモリー（２０）であって、強磁性体からなる強磁性構造体（２３）をメモリーセルとし、強磁性構造体（２３）の両端部に接続される第１及び第２の電極（２６，２７）と、強磁性構造体（２３）の中央部に接続される中央電極（２８）とを備え、強磁性構造体（２３）の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第１及び第２の磁壁保持部（２４，２５）が形成されており、強磁性構造体（２３）の第１及び第２の電極（２６，２７）から電流を流し、電流の向きにより磁壁を第１及び第２の磁壁保持部（２４，２５）の何れかに保持することで記憶させる。磁壁の位置は、一端と中央との電極（２６，２８）間に電流を流し、他端と中央の電極（２７，２８）間に電流が流れるか否かで検知して、電流により判別することができる。

Description

磁気メモリー

技術分野

[0001] 本発明は、電流による書き込み及び読み出しができる新規な磁気メモリーに関する背景技術

[0002] 電子は、その本来的特性として電荷とスピンを有している。従来のエレクトロニクスは電子の電荷をもっぱら利用したものである力 S、近年、電子のもう一つの特性であるスピンを利用したデバイスの開発が盛んである。例えば、電子のスピンを利用した口ジックデバイスや、電子のスピンにより電気抵抗を制御する巨大磁気抵抗 (GMR)素子や磁気トンネル (TMR)素子が作製されてレ、る。

[0003] 従来の磁気メモリーでは、磁化の向きの違いで情報を記録する。そのため、記録を書き込むためには磁化の向きを制御する必要がある力従来の技術では電流を流して、それの作る磁界により磁化の向きを制御してきた。

[0004] しかし、磁気メモリーが小型化するに従い、磁界を作る電流が大きくなりすぎ、消費電力の点で磁気メモリーのサイズに限界がある。このため、非特許文献 1において、電流の作るスピントルクにより磁化の方向を制御する方法が提案され注目を集めている。

[0005] ところで、磁性体において、電子のスピン流と磁性体の局在スピン間における角運動量の保存の帰結として、磁気エネルギーと電気エネルギーの変換が可能であることが知られている（非特許文献 2)。非特許文献 2において、一様に磁化した磁性細線において、電流を流したときに生じる磁場により局在スピンが磁壁（Domain Wall )を形成している場合には、この磁壁が、電子の流れと同じ方向、つまり、電流と逆方向に動くことが報告されている。以下にその原理を説明する。

図 8は、従来の電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示す図であり、（A)は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を示し、（B)は電流を A t秒加えた後の磁壁の移動を示す。なお、磁化は細線の軸方向（z方向）に一様に磁化されるとし、磁性細線の断面積を Aとする。磁性細線 50に電流密度 jの電流を流すと、電流を担う伝導電子のスピン (大きさ 1/2)は強磁性的相互作用により局在スピン M ( 大きさ S)の向きと平行になる傾向があり、電流を担う伝導電子はスピン分極したスピン流を形成する。その分極率を pとすると、スピン流 j (密度）は、下記（1)式で表される。

刚 (^{1 )}

ここで、電子の電荷の単位を eとした。

[0006] 次に、図 8 (A)に示すように、磁性体の局在スピン Mが反転し磁壁 51が形成されている場合を考える。局在スピン Mの矢印は局在スピン Mによる磁化の向きを示す。伝導電子のスピンと磁壁 51の局在スピンとの間の角運動量の保存の帰結として、単位時間当たりに磁壁 51に流入するスピン流 j は、磁壁 51の局在スピンの変化量に等しくなり、その結果、磁壁 51は、次式（2)で与えられる速度 Vで電子の流れと同じ方向 (電流と逆方向）に動く（図 8 (B)参照)。

[数 2] v = BX^j ( 2 )

2eS ' ここで、 V は単位胞の体積（ = a³、 aは原子間距離）である。

[0007] 上記磁壁に関しては、非特許文献 3には、断面積が 70 X 45nm²の磁性材料であるパーロマイ（Ni Fe )の細線において、 100 μ Aの電流パルスを加えることにより

81 19

磁壁を駆動できることが報告されてレ、る。

非特許文献 1 : J . C. Slonczewski, J. Mag. Mag. Matr. 159 , p丄 1 (1996)

非特許文献 2 : A. Yamaguchi et al, Phys. Rev.Lett., 92, p.077205 (2004)

非特許文献 3 : E. Saitoh et al, Nature 432, p.203 (2004)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] し力ながら、非特許文献 1で提案されている方法では、磁界を用いずに電流のみで書き込みが可能になるが、読み出しにはトンネル磁気抵抗 (TMR)素子等の別の方法を用いなければならず、書き込みと読み出しが同じ方法、つまり、電流だけで行なうことができないという課題がある。

[0009] 上記課題に鑑み、本発明は、外部磁場を印加しないで、電流による書き込み及び読み出しができる、新規な磁気メモリーを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0010] 上記目的を達成するために、本発明は、強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、強磁性構造体の両端部に接続される第 1及び第 2の電極と、強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されており、強磁性構造体の第 1及び第 2の電極から電流を流し、電流の向きにより磁壁を第 1及び第 2 の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせることを特徴とする。

上記構成において、好ましくは、強磁性構造体の第 1の電極と中央電極との間に電流を流し、第 2の電極と中央電極との間に流れる電流の有無により磁壁が保持されてレ、る磁壁保持部を検出し、読み出しを行なう。

好ましくは、読み出しの際に第 2の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、第 1及び第 2の電極との間に電流を流して、磁壁を読み出し前の磁気保持部へ移動させる。

[0011] 本発明の他の態様では、強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、強磁性構造体の両端部に接続される第 1及び第 2の電極と、強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されており、強磁性構造体の第 1 及び第 2の電極から電流を流し、電流の向きにより磁壁を第 1及び第 2の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、強磁性構造体の第 1の電極と中央電極との間に電流を流し、第 2の電極と中央電極との間に流れる電流の有無により磁壁が保持されている磁壁保持部を検出し、読み出しを行なうことを特徴とする。

上記構成において、好ましくは、読み出しの際に第 2の電極と中央電極との間に電流が検出された場合には、第 1及び第 2の電極との間に電流を流して、前記磁壁を読み出し前の磁気保持部へ移動させる。

[0012] 上記構成によれば、強磁性体からなる強磁性構造体に形成される第 1及び第 2の磁壁保持部の何れかに、磁壁を安定に保持できる磁気メモリーを提供することができる。この磁壁の位置は、強磁性構造体の両端部に接続される電極間に流す電流で制御できる。そして、この磁壁の位置は、印加する電流の向きを変えることにより移動できる。磁壁の位置は、一端と中央との電極間に電流を流し、他端と中央の電極間に電流が流れるか否かで検知することができ、所謂読み出しも電流により判別することがでさる。

[0013] 上記構成において、好ましくは、強磁性構造体は細線からなり、その両端部及び中央部は幅が広ぐ各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されてレ、る。

好ましくは、強磁性構造体は積層構造力なり、その両端部及び中央部は幅が広く、各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されている。強磁性体の材料は、好ましくは、パーマロイ、鉄、鉄コバルト合金、鉄白金合金、サマリウムコバルト合金の何れかである。

上記構成によれば、強磁性構造体は平面構造の細線や積層構造により形成することがでさる。

[0014] 上記構成において、好ましくは、強磁性構造体は、第 1の硬質磁性層と第 1の軟質磁性層と第 2の硬質磁性層と第 2の軟質磁性層と第 3の硬質磁性層とが積層された構造を有しており、強磁性構造体の一端部となる第 1の硬質磁性層には第 1の電極が接続され、強磁性構造体の他端部となる第 3の硬質磁性層には第 2の電極が接続され、第 2の硬質磁性層には中央電極が接続され、第 1の軟質磁性層と、第 2の軟質磁性層と、が磁壁を保持する磁壁保持部となる。硬質磁性層は鉄一白金合金からなり、軟質磁性層はパーマロイからなっていてよい。

上記構成によれば、垂直方向に均一の幅の強磁性構造体を形成すれば良いので製作が容易となる。このため、強磁性構造体の垂直方向の長さ Lも、平面構造の強磁性構造体の場合よりも小さくすることができるので、メモリーセルの内部抵抗の減少及びメモリーセルの集積密度を挙げるために有利である。 [0015] 上記構成において、好ましくは、メモリーセルはマトリクス状に配設されている。好ましくは、メモリーセルは基板上にマトリクス状に配設され、さらに、基板上に書き込み及び読み出し回路を備えている。この構造によれば、強磁性構造体をメモリーセルとする新規な磁気メモリーを実現することができる。

発明の効果

[0016] 本発明によれば、電流によるだけで書き込み及び読み出しができるので、構造が簡単で小型化でき、集積化が容易で消費電力の小さい磁気メモリーを提供することができる。

図面の簡単な説明

[0017] [図 1]本発明の磁気メモリーの構造を示す模式図である。

[図 2]本発明の磁気メモリーにおける磁壁の電流による移動を説明する模式図である

[図 3]本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。

[図 4]本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。

[図 5]本発明の第 2の実施形態に係る磁気メモリーの強磁性構造体を模式的に示すもので、（A)は断面図、（B)は平面図である。

[図 6]本発明の第 3の実施形態に係る磁気メモリーの強磁性構造体を模式的に示すもので、（A)は断面図、（B)は平面図である。

[図 7]本発明のメモリーセルを用いた磁気メモリーの構成を模式的に示す斜視図である。

[図 8]従来の電子伝導性の強磁性細線における磁壁及び磁壁の移動を示す図で、（ A)は磁性細線に電流を流す前の磁壁の位置を、 (B)は電流を Δ t秒加えた後の磁壁の移動を示す。

符号の説明

[0018] 1 :磁気メモリー

2 :基板

3, 23, 33 :強磁性構造体 (メモリーセル）

3A, 3B, 23A, 23B :端部 3C, 23C:中央咅

4， 24, 34:第 1の磁壁保持部

5, 25, 35:第 2の磁壁保持部

6， 26, 40:第 1の電極

7, 27, 41:第 2の電極

8， 28, 42:中央電極

12:磁壁

15:書き込み用電流源

16:読み出し用電流源

17:電流計

34:第 1の硬質磁性層

35:第 1の軟質磁性層

36:第 2の硬質磁性層

37:第 2の軟質磁性層

38:第 3の硬質磁性層

26A, 27A, 28A, 44, 45, 46:電極配線

発明を実施するための最良の形態

[0019] 以下、この発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。

図 1は、本発明の磁気メモリーの構造を示す模式図である。図示するように、本発明の磁気メモリー 1は、絶縁基板 2上に形成される電子伝導性の強磁性構造体 3、図示の場合には強磁性構造体 3は細線状をなしている。この強磁性体からなる細線 3 は、磁気メモリー 1の 1ビット、即ちメモリーセルとなる。

[0020] ここで、強磁性構造体 3の材料としては、パーマロイ、鉄、鉄とコバルトとからなる合金（以下、適宜に鉄—コバルト合金と呼ぶ）、鉄と白金とからなる合金（以下、適宜に鉄一白金合金と呼ぶ）、サマリウムとコバルトとからなる合金 (以下、適宜にサマリウムコバルト合金と呼ぶ）を用いることができる。

[0021] 上記細線 3は、厚さ力 Stで、長さが Lである。細線 3において、その両端部 3A, 3B及びその中央部 3Cは、幅 (W )が広く形成されている。各端部 3A, 3Bと中央部 3Cと

1

の間には、磁壁を保持するために幅が Wよりも狭い Wである第 1及び第 2の磁壁保

1 2

持部 4， 5が形成されている。そして、細線 3において、その一端 3Aに接続される第 1 の電極 6と、その他端 3Bに接続される第 2の電極 7と、中央部 3Cに接続される中央電極 8とが形成されている。したがって、磁気メモリー 1において、細線 3の電極 6〜8 が接続される箇所の断面積が大きぐこれらの電極の間に配設される幅の狭い磁壁保持部 4， 5は、断面積が小さくなつている。

なお、図示の場合には、 2つの磁壁保持部 4, 5は、端部側及び中央部側から直線的に徐々に寸法を変えて、幅の狭い第 1及び第 2の磁壁保持部 4, 5としている。この傾斜線部は、図示の直線ではなぐ曲線、直線と曲線との組み合わせなどで形成してもよい。

[0022] 図 2は本発明の磁気メモリーにおける磁壁の電流による移動を説明する模式図である。図 2 (A)において、磁壁 12が第 2の磁壁保持部 5にあり、矢印は磁化の方向を示している。本発明の磁気メモリー 1の場合には、従来例の図 5で示した断面積が一定の細線ではなぐ細線 3には、断面積が小さくくびれた第 1及び第 2の磁壁保持部 4, 5が設けられている。この小さい断面積のくびれた第 1及び第 2の磁壁保持部 4, 5 は、磁壁 12の安定な位置である。

[0023] ここで、磁性体の交換相互作用の大きさを A (単位は、 j/m)、一軸磁気異方性定数を K (単位は、 J/m )とする時、単位面積当りの磁壁の持つエネルギー σ (単位は、 J/m² )は、下記（3)式で与えられる。

圖 a_w = fy_xK_u ( 3 ) したがって、磁壁 12に蓄えられるエネルギーは（3)式の値に磁壁保持部 4, 5の断面積 A (W X t)を乗じたものとなる。このため、磁壁 12は、断面積の小さい磁壁保 a 2

持部 4, 5においてエネルギー的に安定となり、何れかの磁壁保持部に保持される。

[0024] 次に、図 2 (B)の状態に示すように、第 1の電極 6と第 2の電極 7とに書き込み用電流源 15を接続して、電流 Iを流すと、磁壁 12を、左側の第 1の磁壁保持部 4に移動させることができる。この状態から、電流 Iの向きを逆転すれば、磁壁 12を、再び第 2の磁壁保持部 5に移動し、保持すること力 Sできる（図 2 (C)参照）。図 2 (B)に示すように、第 1の磁壁保持部 4に磁壁 12が存在する場合を" 1"、図 2 (A)に示すように第 2の磁壁保持部 5に磁壁 12が存在する場合を" 0"とすれば、この状態を、細線 3に流す電流の向きにより制御することができる。つまり、磁壁 12の存在する場所が" か" 0" により、 2値のデジタル磁気記録、即ち書き込みを行なうことができる。

これにより、磁壁 12は、第 1及び第 2の磁壁保持部 4， 5の何れかに保持された後は、書き込みのための電流は不要で永久的に保持される。したがって、本発明の磁気メモリー 1は不揮発メモリーとなる。

[0025] この場合の磁壁の移動速度は上記（2)式で表わされる。細線 3の材料として強磁性体のパーマロイを用レ、、 ρ = 0· 7、 V = 10— ²⁹ m— ³、 S = l、 j = 5 X 10¹⁰A/m²とすると、磁壁 12の移動速度 Vは、 lm/secとなる。したがって、第 1及び第 2の磁壁保持部 4, 5の距離 L を 0. l x m (100nm)とすれば、その移動時間 tは L / vから計算で

1 1

き、 t= 100nsecとなる。この磁壁 12の移動時間が書き込みに要する時間 t となる。

w したがって、本発明の磁気メモリー 1によれば、高速に書き込みができる。

[0026] 次に、本発明の磁気メモリーにおける読み出し動作について説明する。

図 3及び図 4は本発明の磁気メモリーの読み出しを説明する模式図である。図 3 (A )に示すように磁壁 12が第 2の磁壁保持部 5に保持されている場合、第 2の電極 7と中央電極 8との間に読み出し用電流源 16を接続し、電流 Iを流すことにより、磁壁 12 は速度 Vで、中央電極 8に対向する位置へ移動する。その後は、磁壁 12は、ポテンシャル V (z )の勾配のために磁壁保持部 4まで移動する（図 3 (B)参照）。この場合に

0

は、（2)式に従って、第 1の電極 6と中央電極 7との間に電流が流れ、電流計 17により検出すること力 Sできる。

[0027] 図 3 (B)の状態で、読み出しはされるが、磁壁 12が、右側の第 2の磁壁保持部 5から他側の磁壁保持部 4へ移動するので、電流計 16により検出が終了したら、再度、磁壁 12を元の第 2の磁壁保持部 4へ戻せばよい。即ち、磁壁 12を読み出し前の状態に戻す。この磁壁 12の第 2の磁壁保持部 5への移動は、第 1及び第 2の電極 6, 7 に書き込み用の電流源 15を接続し、パルス電流を印加して行なうことができる（図 3 ( C)参照）。 [0028] 一方、図 4に示すように、図 3 (A)に示す場合とは逆に、磁壁 12が最初から第 1の磁壁保持部 4に存在していた場合には、第 2の電極 7と中央電極 8との間に接続されている読み出し用電流源 16から電流を印加しても磁壁 12は動かない。このため、第 1の電極 6と中央電極 8との間には電流は流れなレ、。この状態を電流計 17により検出することができる。なお、上記読み出しは、第 2の電極 7と中央電極 8との間に読み出し用電流源 16を接続した力読み出し用電流源 16は、第 1の電極 6と中央電極 8との間に接続してもよい。この場合には、第 2の電極 7と中央電極 8との間に電流計 17 を接続して、電流を検出すればよい。

[0029] 上記の方法では、細線 3に流す電流により磁壁 12の位置が第 1の磁壁保持部 4にあるカ第 2の磁壁保持部 5にあるかを判定することができる。これが読み出し動作である。図 3 (A)に示すように、書き込み時間 t が lOOnsecである場合には、読み出し w

電流のパルス幅 tも同程度の lOOnsec程度で行なうことができる。また、図 4の場合には、磁壁 12が移動しないので、書き込み時間 t よりも短い、例えば 1/10程度の 1 w

Onsecオーダーの高速で行なうことができる。したがって、本発明の磁気メモリーにおいては、読み出しを高速に行なうことができる。

[0030] 以下、本発明の磁気メモリーの第 1及び第 2の磁壁保持部に形成されるエネルギー障壁について説明する。

細線 3において、磁壁 12が存在し得る第 1及び第 2の磁壁保持部 4， 5と中央部 3C との間を隔てるエネルギー障壁 Δ Eは、下記（4)式で与えられる。

國

ΑΕ = σ _/(Α₁₎ - Α_α) ( 4 ) ここで、 Α は、中央部 3C、即ち電極 8が接続している幅の広い部分の断面積であり b

、 A =W X tである。

b 1

[0031] 本発明の磁気メモリーの寸法として、細線 3においてその厚さ tを 50nm、幅 Wを 2

1

00nm、磁壁保持部 4， 5の幅 Wを lOOnmとした場合には、幅の広い中央部 3Cなど

2

の断面積 Aが 10— ¹⁴ m²となり、磁壁保持部 4, 5の断面積 A力 X 10— ¹⁵ m²となる。

0 a

さらに、パーマロイからなる細線 3の物質パラメータとして、交換相互作用の大きさを A = 10— ¹¹ j/m、一軸磁気異方性定数 K = 10⁵j/m³、スピン分極率 p = 0. 7とし ex u たときには、上記（3)式より、磁壁 12の持つエネルギー σ は、 σ = 10— ³j/m²が得られる。

これから、磁壁 12の位置である磁壁保持部 4， 5間を隔てるエネルギー障壁 Δ Εが、上記（4)式により、 5 X 10— ¹⁸J (31. 2eV)と計算される。このエネルギー障壁 Δ Εは十分に大きいので、本発明の磁気メモリー 1は、通常の使用温度で安定して動作させること力 Sできる。

[0032] 本発明の磁気メモリーの書き込みに要する電流について説明する。

上記計算において、磁壁 12の存在し得る第 1及び第 2の磁壁保持部 4， 5の断面積は、 50nm X 100nm (5 X 10— ¹⁵ m² )である。一方、断面積が 70 X 45nm²のパーロマィ（Ni Fe )の細線において、 100 μ Aの電流パルスを加えることにより磁壁を駆動

81 19

できることが非特許文献 3に示されている。したがって、本発明の磁気メモリーにおいても、非特許文献 3で示された程度の電流パルスを用いることにより、十分に書き込みを行なうことができると予測できる。

[0033] 本発明の磁気メモリー 1においては、細線 3の抵抗も小さいので、電流を流したときの電圧降下も lmV程度なので、消費電力も極めて小さくできる。

[0034] 上記構成の本発明の磁気メモリー 1は、基板 2上に、図 1で示した 1ビットのメモリーセル 3を X, Yマトリクスとなるように格子状に多数配列し、書き込み及び読み出し用の周辺回路を設ければ、大容量の磁気メモリーを構成することができる。

[0035] 本発明の第 2の実施形態に係る磁気メモリーについて以下に説明する。

図 5は本発明の第 2の実施形態に係る磁気メモリー 20の強磁性構造体 23を模式的に示すもので、（A)は断面図、（B)は平面図である。

図 1のメモリーセルに用いる強磁性構造体が平面構造であるのに対して、図 5 (A) に示すように、強磁性構造体 23は、紙面の下から上に積層される構造を有している。強磁性構造体 23は、積層方向（Y軸方向）の厚さが Lである。磁性体構造 23において、その両端部 23A， 23B及びその中央部 23Cは、幅 (W )が広く形成されている。

1

各端部 23A， 23Bと中央部 23Cとの間には、磁壁を保持するために幅が Wよりも狭

1 い Wである第 1及び第 2の磁壁保持部 24， 25が形成されている。そして、強磁性構

2

造体 23において、その一端 23Aに接続される第 1の電極 26と、その他端 23Bに接続される第 2の電極 27と、中央部 23Cに接続される中央電極 28とが形成されている。したがって、磁気メモリー 20において、強磁性構造体 23の電極 26〜8が接続される箇所の断面積が大きぐこれらの電極の間に配設される幅の狭い磁壁保持部 24, 25は、断面積が小さくなつている。

[0036] 図 5 (B)は、図 5 (A)に示す強磁性構造体をその上部の一端部 23A側から見た平面図であり、第 1の電極 26と第 2の電極 27と中央電極 28とには、それぞれ、電極配線 26A， 27A, 28Aが形成されている。これらの電極配線 26A， 27A, 28Aは互いに接触しないように、複数の層間絶縁層を介して形成することができる。 2つの磁壁保持部 24， 25は、図示の場合、端部側及び中央部側から直線的に徐々に寸法を変えて、幅の狭い第 1及び第 2の磁壁保持部 24， 25を形成している。この傾斜線部は、図に示すような直線ではなぐ曲線、直線と曲線との組み合わせなどで形成してもよい。

[0037] 本発明の磁気メモリー 20は、図 1で示した磁気メモリー 1と同様に動作させることができる。磁気メモリーに用いる強磁性構造体 23は、薄膜形成技術とエッチングなどの加工方法で形成できるので、その垂直方向（図 4の Y方向）の厚さ制御が容易である。このため、強磁性構造体 23の垂直方向の長さ Lを平面構造の強磁性構造体 1の場合よりも小さくすることができるので、メモリーセルの内部抵抗の減少及びメモリーセルの集積密度を上げるために有利である。

[0038] 本発明の第 3の実施形態に係る磁気メモリーについて説明する。

図 6は、本発明の第 3の実施形態に係る磁気メモリー 30の強磁性構造体 33を模式的に示し、（A)は断面図、（B)は平面図である。図 6 (A)に示す強磁性構造体 33は、紙面の下から上に積層される構造を有しており、下から順に第 1の硬質磁性層 34と第 1の軟質磁性層 35と第 2の硬質磁性層 36と第 2の軟質磁性層 37と第 3の硬質磁性層 38とが積層された 5層構造を有している。強磁性構造体 33において、強磁性構造体 33の一端部となる第 1の硬質磁性層 34には第 1の電極 40が接続され、強磁性構造体 33の他端部となる第 3の硬質磁性層 38には第 2の電極 41が接続され、第 2 の硬質磁性層 36には中央電極 42が接続されている。強磁性構造体 33は、積層方向（Y軸方向）の厚さが Lであり、その幅が Wである。 [0039] 図 6 (B)は、図 6 (A)に示す強磁性構造体をその上部の第 3の硬質磁性層 38側から見た平面図であり、第 1の電極 40と第 2の電極 41と中央電極 42とには、それぞれ、電極酉己 ,線44， 45, 46カ形成されてレヽる。これらの電極酉己 ,線44， 45, 46は互レ、に接触しなレ、ように、複数の層間絶縁層を介して形成することができる。

[0040] 第 1〜第 3の硬質磁性層 34, 36， 38は、磁化の向きが変化し難い材料である硬質磁性材料からなり、鉄—白金合金などを使用することができる。この硬質磁性材料はハード磁性材料とも呼ばれる。第 1及び第 2の軟質磁性層 35, 37は、磁気モーメントの向きが極めて回転し易い材料である硬質磁性材料からなり、パーマロイなどを使用することができる。この軟質磁性材料はソフト磁性材料とも呼ばれる。

[0041] 強磁性構造体 33においては、第 1及び第 2の硬質磁性層 34, 36の間に挿入される第 1の軟質磁性層 35と、第 2及び第 3の硬質磁性層 36， 38の間に挿入される第 2 の軟質磁性層 35と、が磁壁を保持する安定な低エネルギー層、つまり、磁壁保持部となる。上記の硬質磁性層と軟質磁性層との間に生じさせるエネルギーの勾配は、各硬質磁性層 34, 36, 38と、各軟質磁性層 35, 37との境界において、各磁性体の混合比を徐々に変えることで形成することができる。

[0042] 上記強磁性構造体 33においては、硬質磁性層の単位面積当りの磁気エネルギー σ (hard)が軟質磁性層の単位面積当りの磁気エネルギー σ (soft)よりも大きいことを利用して、磁壁保持部の位置エネルギーの差を得ることができる。つまり、磁壁保持部の位置エネルギーは、式（3)に示すように単位面積当りの磁気エネルギー σ に断面積 Αを乗じた積、即ち σ X Αで与えられる。強磁性構造体 33においては、断面積 Aが一定である力硬質磁性層と軟質磁性層の磁気エネルギーが異なることで磁壁保持部の位置エネルギー差を生じさせることができる。

[0043] 軟質磁性層をパーマロイとした場合の単位面積当りの磁気エネルギー σ (soft) は上記したように、 10— ³j/m²である。硬質磁性層として鉄一白金合金の場合の単位面積当りの磁気エネルギー σ (hard)は、 8 X 10— ³j/m²程度となる。ここで、物質パラメータとして、交換相互作用の大きさを A = 10— "jZmとし、一軸磁気異方性定数

K = 7 X 10⁶J/m³とした。強磁性構造体が正四角形のパターンである場合には、その幅 W (図 5の X軸方向の寸法）を 32nmとすると、面積は 1 X 10— ¹⁵ m²となる。この面積におけるパーマロイ及び鉄—白金合金の磁気エネルギーは、それぞれ 1 X 1 0— ¹⁸J, 8 X 10— ¹⁸Jとなる。したがって、この場合の軟質磁性層と硬質磁性層との磁気エネルギー障壁 Δ Εは 7 X 10— ¹⁸ J (43. 7eV)と計算される。この強磁性構造体 33におけるエネルギー障壁 Δ Εは十分に大きいので、本発明の磁気メモリー 30は、通常の使用温度で安定して動作させることができる。

[0044] 本発明の磁気メモリー 30は、上記の第 1及び第 2の軟質磁性層 35, 37をそれぞれ第 1及び第 2の磁気保持部とすることにより、図 1で示した磁気メモリー 1と同様に動作させることができる。強磁性構造体 30の形成においては、前記強磁性構造体 20のように積層方向の所定箇所を幅の狭い Wという領域を形成する必要がないので、垂

2

直方向に均一の幅 wとすれば良いことから製作が容易となる。このため、強磁性構

1

造体の垂直方向の長さ Lも、平面構造の強磁性構造体 1の場合よりも小さくすることができるので、メモリーセルの内部抵抗の減少及びメモリーセルの集積密度を上げるために有利である。

[0045] 次に、本発明のメモリーセルを用いた磁気メモリーの構成について説明する。図 7 は、本発明のメモリーセルを用レ、た磁気メモリーの構成を模式的に示す斜視図である。図 7において、磁気メモリー 20, 30は、図 6に示す X方向の電極配線 45と Y方向の電極配線 44とが交差する各位置に、マトリクス状に強磁性構造体 23, 33を配設した構成である。これらのマトリクス状に配列された各強磁性構造体 23， 33の第 1及び第 2の電極層 40, 41には、図 6に示すように、それぞれ Y方向の電極配線 44と X方向の電極配線 45とが接続され、中央電極 42には、電極配線 46が接続されている。

[0046] 本発明の磁気メモリーは、以下のようにして製作することができる。

最初に、基板 2上に、強磁性構造体となる強磁性体薄膜を所定の厚さで堆積する。強磁性体材料としては、パーマロイ、鉄、鉄—コバルト合金、鉄—白金合金、サマリゥム—コバルト合金などが使用できる。堆積方法としては、物理蒸着法であるスパッタ法などを用いることができる。この基板 2としては、 MgO基板や、絶縁層で被覆した Si 基板に Mg〇を堆積した基板を用いることができる。次に、マスク工程やエッチングェ程により、強磁性体の細線 3、強磁性構造体 23, 33からなる各メモリーセルのパターンを形成することで、磁気メモリー 1 , 20, 30を作製することができる。 [0047] 書き込み及び読み出し用の周辺回路を集積回路で形成する場合には、上記のェ程で製作した強磁性構造体 3を含む基板 2の全体をさらに絶縁膜で被覆し、強磁性構造体 3の各電極 6〜8だけに窓開けをした後に、各メモリーセルとビット線やワード線などの配線を行なえばよレ、。また、本発明の磁気メモリー 1の周辺回路を Siの MO Sトランジスタで形成する場合には、最初に、 Siの周辺回路を形成し、その後で、本発明の磁気メモリー 1の各メモリーセル 3を形成してもよい。

ここで、各材料の堆積には、スパッタ法以外には、 CVD法、蒸着法、レーザアブレーシヨン法、 MBE法などの通常の薄膜成膜法を用いることができる。また、所定の形状の電極や集積回路の配線を形成するためのマスク工程には、光露光や EB露光などを用いることができる。強磁性構造体 23， 33を用いた磁気メモリーも本発明の磁気メモリー 1と同様にして製作することができる。

[0048] 本発明はこれら実施例に限定されるものではなぐ特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。

Claims

請求の範囲

[1] 強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、

上記強磁性構造体の両端部に接続される第 1及び第 2の電極と、上記強磁性構造体の中央部に接続される中央電極と、を備え、

上記強磁性構造体の中央部と両端部との間には磁壁を保持できる第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されており、

上記強磁性構造体の第 1及び第 2の電極から電流を流し、該電流の向きにより上記磁壁を上記第 1及び第 2の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせることを特徴とする、磁気メモリー。

[2] 前記強磁性構造体の第 1の電極と前記中央電極との間に電流を流し、前記第 2の電極と前記中央電極との間に流れる電流の有無により前記磁壁が保持されている磁壁保持部を検出し、読み出しを行なうことを特徴とする、請求項 1に記載の磁気メモリ

[3] 前記読み出しの際に前記第 2の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、前記第 1及び第 2の電極との間に電流を流して、前記磁壁を、前記読み出し前の磁気保持部へ移動させることを特徴とする、請求項 2に記載の磁気メモリー。

[4] 強磁性構造体をメモリーセルとする磁気メモリーであって、

上記強磁性構造体の第 1及び第 2の電極から電流を流し、該電流の向きによって上記磁壁を上記第 1及び第 2の磁壁保持部の何れかに保持することで記憶をさせ、上記強磁性構造体の第 1の電極と上記中央電極との間に電流を流し、上記第 2の電極と上記中央電極との間に流れる電流の有無により上記磁壁が保持されている磁壁保持部を検出し、読み出しを行なうことを特徴とする、磁気メモリー。

[5] 前記読み出しの際に前記第 2の電極と前記中央電極との間に電流が検出された場合には、前記第 1と第 2の電極との間に電流を流して、前記磁壁を、前記読み出し前の磁気保持部へ移動させることを特徴とする、請求項 4に記載の磁気メモリー。

[6] 前記強磁性構造体は細線からなり、その両端部及び中央部は幅が広ぐ各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い前記第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されていることを特徴とする、請求項 1又は 4に記載の磁気メモリー。

[7] 前記強磁性構造体は積層構造からなり、その両端部及び中央部は幅が広ぐ各端部と中央部との間には磁壁を保持できる幅の狭い前記第 1及び第 2の磁壁保持部が形成されていることを特徴とする、請求項 1又は 4に記載の磁気メモリー。

[8] 前記強磁性体の材料が、パーマロイ、鉄、鉄コバルト合金、鉄白金合金、サマリウムーコバルト合金の何れかであることを特徴とする、請求項 1又は 4に記載の磁気メモリー。

[9] 前記強磁性構造体は、第 1の硬質磁性層と第 1の軟質磁性層と第 2の硬質磁性層と第 2の軟質磁性層と第 3の硬質磁性層とが積層された構造を有しており、

上記強磁性構造体の一端部となる第 1の硬質磁性層には前記第 1の電極が接続され、

上記強磁性構造体の他端部となる第 3の硬質磁性層には前記第 2の電極が接続され、

上記第 2の硬質磁性層には前記中央電極が接続され、

上記第 1の軟質磁性層と上記第 2の軟質磁性層とが磁壁を保持する前記磁壁保持部となることを特徴とする、請求項 1又は 4に記載の磁気メモリー。

[10] 前記硬質磁性層が鉄一白金合金力なり、前記軟質磁性層がパーマロイからなることを特徴とする、請求項 9に記載の磁気メモリー。

[11] 前記メモリーセルが、マトリクス状に配設されていることを特徴とする、請求項 1又は

4に記載の磁気メモリー。

[12] 前記メモリーセルが基板上にマトリクス状に配設され、さらに、該基板上に書き込み及び読み出し回路を備えていることを特徴とする、請求項 1又は 4に記載の磁気メモリー