WO2020095360A1 - 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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    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy

Definitions

  • the present invention relates to a domain wall motion element, a domain wall motion type magnetic recording element and a magnetic recording array.
  • MRAM Magneticoresistive Random Access Memory
  • ReRAM Resistance Random Access Memory
  • PCRAM Phase Change Random Access
  • ⁇ MRAM uses the change in resistance value caused by the direction of magnetization for data recording.
  • miniaturization of elements constituting the memory and multi-valued recording bits per element constituting the memory are being studied.
  • Patent Document 1 describes a domain wall motion type magnetic recording element capable of recording multi-valued data by moving the domain wall in the magnetic recording layer.
  • the domain wall motion type magnetic recording element records data by controlling the position of the domain wall.
  • One method of realizing the low power consumption of the domain wall motion type magnetic recording element is to reduce the energy required to move the domain wall.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a domain wall motion element, a domain wall motion type magnetic recording element, and a magnetic recording array with low power consumption.
  • the domain wall motion element is a domain wall motion layer in which a first layer containing a rare earth metal and a second layer containing a transition metal are alternately laminated in a first direction, and the domain wall motion layer.
  • the SOT suppressing portion may include a nonmagnetic transition metal having an atomic number of 48 or less.
  • the SOT suppressing portions may be discontinuously distributed at the interface.
  • the SOT suppressing portions may be scattered in an island shape at the interface.
  • the SOT suppressing portion may protrude from the interface in the first direction.
  • the SOT suppressing portion may be on the laminated surface of the second layer.
  • the SOT suppressing portion may be provided only on the laminated surface of the second layer.
  • the total area of one interface of the SOT suppressing portion may be 20% or more of the area of the interface.
  • the first layer may contain Tb, Gb or an alloy thereof.
  • a domain wall displacement type magnetic recording element is the domain wall displacement element according to the above aspect, the domain wall displacement layer, and the first electrode and the first electrode in plan view from the first direction.
  • a first ferromagnetic layer located between the two electrodes and a non-magnetic layer located between the first ferromagnetic layer and the domain wall motion layer are provided.
  • the SOT suppressing portion may be located at a position overlapping the first ferromagnetic layer in a plan view from the first direction.
  • the second ferromagnetic layer may further be provided between the domain wall motion layer and the nonmagnetic layer.
  • an underlayer is further provided on a surface of the domain wall motion layer opposite to the first surface facing the first ferromagnetic layer, and the underlayer comprises: It may be a single layer of Ru, Ti, Cu, SiO 2 , MgO or SiN or a laminated body thereof.
  • a magnetic recording array according to a third aspect includes a plurality of domain wall motion type magnetic recording elements according to the above aspect.
  • the domain wall motion element, the domain wall motion type magnetic recording element and the magnetic recording array according to the above aspect operate with low power consumption.
  • FIG. 3 is a perspective view of the domain wall motion type magnetic recording element according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a domain wall motion layer in the domain wall motion type magnetic recording element according to the first embodiment. It is a perspective view which showed distribution of an SOT control part typically. It is a perspective view which showed typically another example of distribution of an SOT control part. It is a perspective view which showed typically another example of distribution of an SOT control part.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a domain wall motion type magnetic recording element for explaining SOT. 9 is an enlarged cross-sectional view of a domain wall motion layer of a domain wall motion type magnetic recording element according to Modification Example 1.
  • FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a domain wall motion layer in the domain wall motion type magnetic recording element according to Modification Example 1.
  • FIG. 9 is an enlarged cross-sectional view of a domain wall motion layer of a domain wall motion type magnetic recording element according to Modification Example 2.
  • FIG. FIG. 11 is a cross-sectional view of a domain wall motion type magnetic recording element according to Modification 3; 13 is a perspective view of a domain wall motion type magnetic recording element according to Modification 4.
  • FIG. 13 is a perspective view of a domain wall motion type magnetic recording element according to Modification 5.
  • FIG. It is a perspective view of the domain wall motion element concerning 2nd Embodiment. It is a circuit diagram of a magnetic recording array according to a third embodiment.
  • the + z direction is a direction in which it is laminated on a support (not shown) that supports the domain wall motion layer 10 described later.
  • the ⁇ z direction is the opposite direction.
  • the + x direction is a direction that is substantially orthogonal to the z direction and goes from the first electrode 21 described later to the second electrode 22.
  • the ⁇ x direction is the opposite direction.
  • the + y direction is one direction orthogonal to the z direction and the x direction.
  • the -y direction is the opposite direction. When the + y direction and the ⁇ y direction are not distinguished, they are simply referred to as the “y direction”.
  • the first direction is an example of the + z direction.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a domain wall motion type magnetic recording element 100 according to the first embodiment.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 includes a domain wall motion layer 10, two electrodes 20, a nonmagnetic layer 30, and a first ferromagnetic layer 40.
  • One of the two electrodes 20 is the first electrode 21, and the other is the second electrode 22.
  • the domain wall motion layer 10 has a first magnetic domain 10A and a second magnetic domain 10B, and has a domain wall 10C at the boundary between them.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 records data in multi-values depending on the position of the domain wall 10C of the domain wall motion layer 10.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 records data as a resistance value in the stacking direction of the first ferromagnetic layer 40, the non-magnetic layer 30, and the domain wall motion layer 10.
  • the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100 changes depending on the states of the magnetizations M 10A and M 10B of the domain wall motion layer 10 at the positions overlapping with the first ferromagnetic layer 40 when viewed from the z direction.
  • the direction of the magnetization M 10A of the first magnetic domain 10A is the opposite direction (antiparallel) to the direction of the magnetization M 40 of the first ferromagnetic layer 40.
  • the direction of the magnetization M 10B of the second magnetic domain 10B is the same direction (parallel) as the direction of the magnetization M 40 of the first ferromagnetic layer 40.
  • the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100 becomes low. That is, the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100 increases when the domain wall 10C moves in the + x direction and decreases when it moves in the ⁇ x direction.
  • a write current is passed between the first electrode 21 and the second electrode 22.
  • a current pulse in a predetermined direction is applied to the magnetic domain wall displacement layer 10
  • the first magnetic domain 10A spreads to the second magnetic domain 10B and the magnetic domain wall 10C moves toward the second electrode 22.
  • the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100 is determined by the position of the domain wall 10C, and data is written.
  • the position of the domain wall 10C can be controlled by the direction (+ x direction or ⁇ x direction) of the current flowing in the domain wall displacement layer 10, the current density, and the like.
  • the position of the domain wall 10C can also be controlled by applying an external magnetic field to the domain wall displacement layer 10.
  • a read current is passed between the first ferromagnetic layer 40 and the first electrode 21 or the second electrode 22.
  • the read current is smaller than the write current, and the domain wall 10C does not move.
  • the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100 is obtained from Ohm's law by applying a read current to the domain wall motion layer 10 and the first ferromagnetic layer 40 in the z direction. The resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100 is converted into data.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the domain wall motion layer 10 in the domain wall motion type magnetic recording element according to the first embodiment.
  • the domain wall motion layer 10 has a first layer 11, a second layer 12, and an SOT suppression unit 13.
  • the first layer 11 and the second layer 12 are alternately laminated in the z direction.
  • the lowermost layer (the layer located closest to the ⁇ z direction) of the domain wall motion layer 10 in FIG. 2 is the first layer 11, but may be the second layer 12.
  • the first surfaces 11a and 12a are laminated surfaces of the first layer 11 and the second layer 12.
  • the first layer 11 contains a rare earth metal.
  • the first layer 11 contains, for example, Tb, Gb, or an alloy thereof.
  • the thickness of the first layer 11 is, for example, 0.1 to 3 nm.
  • the second layer 12 contains a transition metal.
  • the second layer 12 is, for example, Co, Fe, CoFeB. including.
  • the thickness of the second layer 12 is, for example, 0.1 to 3 nm.
  • the combination of the first layer 11 and the second layer 12 is, for example, a Gd—Co based material or a Tb—Co based material.
  • Ferrimagnetic materials such as Gd—Co based materials and Tb—Co based materials have a small saturation magnetization and a small threshold current required to move the domain wall.
  • the SOT suppression unit 13 is located at the interface between the first layer 11 and the second layer 12.
  • the SOT suppressing part 13 contains a nonmagnetic metal.
  • the SOT suppressing part 13 contains, for example, a nonmagnetic transition metal having an atomic number of 48 or less.
  • the SOT suppressing unit 13 is locally distributed at the interface between the first layer 11 and the second layer 12. “Locally distributed” means that it does not exist uniformly at the interface between the first layer 11 and the second layer 12.
  • 3 to 5 are perspective views schematically showing the distribution of the SOT suppressing units 13A to 13C.
  • 3 to 5 are diagrams showing examples of distribution of the SOT suppressing portions 13A to 13C on the first surface 12a of the second layer 12.
  • the SOT suppressing portions 13A to 13C in FIGS. 3 to 5 are not uniform layers, and none of them are uniformly present at the interface between the first layer 11 and the second layer 12.
  • the SOT suppressing portions 13A shown in FIG. 3 are scattered on the first surface 12a of the second layer 12 in an island shape.
  • the plurality of SOT suppression units 13A are discontinuously distributed.
  • the SOT suppressing portions 13B shown in FIG. 4 are distributed in a strip shape on the first surface 12a of the second layer 12.
  • a plurality of SOT suppressing parts 13B are discontinuously distributed.
  • the SOT suppressing portion 13B extends in a direction intersecting the x direction (for example, the y direction).
  • the SOT suppressing portion 13C shown in FIG. 5 has an opening through which the first surface 12a of the second layer 12 is exposed and is continuously distributed.
  • the SOT suppressing portion 13A shown in FIG. 3 When the SOT suppressing portion 13A shown in FIG. 3 is sputtered under the condition that no layer is formed, the atoms are aggregated and formed.
  • the condition for not forming a layer is, for example, a condition that the film formation thickness is one atomic layer or less.
  • the SOT suppressing portions 13B and 13C shown in FIGS. 4 and 5 are obtained by forming a film through a mask or the like.
  • the SOT suppressing portion 13 is formed by sputtering or the like as described above.
  • the SOT suppressing portion 13 projects in the + z direction from, for example, an interface (first surface 11a, 12a) between the first layer 11 and the second layer 12.
  • the SOT suppressing portion 13 may be recessed in the ⁇ z direction from the interfaces (first surfaces 11a and 12a) between the first layer 11 and the second layer 12.
  • the total area of one interface of the SOT suppressing unit 13 is preferably 20% or more, and more preferably 30% or more of the area of the interface between the first layer 11 and the second layer 12, for example.
  • the total area of one interface of the SOT suppressing portion 13 is preferably 80% or less of the area of the interface between the first layer 11 and the second layer 12, and more preferably 70% or less.
  • the total area is the total area occupied by the SOT suppressing portion 13 at one interface in a plan view from the z direction.
  • the SOT suppressing unit 13 prevents mixing of the rare earth metal contained in the first layer 11 and the transition metal contained in the second layer 12.
  • the first layer 11 and the second layer 12 are stacked by sputtering, for example.
  • the material of the second layer 12 may be mixed with the first layer 11 in some cases.
  • the mixed portion causes scattering of electrons moving in the x direction in the domain wall motion layer 10.
  • Electron scattering is one of the causes of the spin Hall effect.
  • the spin Hall effect is a phenomenon in which a spin current is induced in a direction orthogonal to the direction of the current based on the spin-orbit interaction when a current is passed.
  • the spin Hall effect develops a spin orbit torque (SOT) and gives SOT to the magnetizations M 10A and M 10B in the domain wall motion layer 10.
  • the STT acts on the magnetizations M 10A and M 10B in 180 ° opposite directions.
  • a current is passed from the second electrode 22 toward the first electrode 21. Since the electrons flow in the direction opposite to the current, the electrons move from the first electrode 21 toward the second electrode 22.
  • the electrons that have passed through the first magnetic domain 10A become spins oriented in the ⁇ z direction under the influence of the magnetization M 10A .
  • the spins oriented in the ⁇ z direction are injected into the second magnetic domain 10B.
  • the ⁇ z-direction oriented spin injected into the second magnetic domain 10B applies a torque in the opposite direction by 180 ° to the magnetization M 10B oriented in the + z direction.
  • the magnetization M 10B is fluctuating due to heat or the like.
  • the torque in the opposite direction of 180 ° is applied at the timing when the magnetization M 10B slightly tilts from the + z direction, the magnetization M 10B reverses while performing a precession motion.
  • the domain wall 10C moves in the + x direction.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the domain wall motion type magnetic recording element 100 for explaining the SOT.
  • a current I flows from the second electrode 22 toward the first electrode 21.
  • the first spin S1 oriented in one direction and the second spin S2 oriented in the opposite direction to the first spin S1 are respectively bent in a direction orthogonal to the current.
  • the first spin S1 oriented in the + y direction is bent in the + z direction with respect to the traveling direction
  • the second spin S2 oriented in the ⁇ y direction is bent in the ⁇ z direction with respect to the traveling direction.
  • the spin Hall effect is basically unlikely to occur in a magnetic material. However, if the magnetic domain wall moving layer 10 has a portion where magnetic substances are mixed with each other, electrons are scattered at the portion, and the spin Hall effect occurs.
  • the first spin S1 oriented in the + y direction and the second spin S2 oriented in the ⁇ y direction apply SOT acting in a direction inclined by 90 ° to the magnetization M 10B (see FIG. 1) oriented in the + z direction. ..
  • the magnetization M 10B first falls quickly to 90 ° and then reverses. Due to the direction in which the torque acts, the magnetization reversal by SOT occurs faster than the magnetization reversal by STT.
  • the SOT suppression unit 13 is located at the interface between the first layer 11 and the second layer 12.
  • the SOT suppressing unit 13 prevents mixing of the first layer 11 and the second layer 12 and suppresses the expression of SOT.
  • the SOT suppressing portion 13 is a non-magnetic transition metal, and the spin Hall effect does not occur even if the first layer 11 and the second layer 12 are mixed.
  • the atoms forming the SOT suppressing portion 13 are lighter than the atoms forming the first layer 11 and the second layer 12. Atoms forming the SOT suppressing portion 13 are hard to be implanted into the first layer 11 and the second layer 12, and mixing itself hardly occurs.
  • the SOT suppressing portion 13 does not form a layer and is locally distributed, and does not significantly impede the magnetic correlation between the first layer 11 and the second layer 12.
  • the orientations of the magnetizations M 10A and M 10B of the domain wall motion layer 10 are improved and stable data retention becomes possible.
  • the first ferromagnetic layer 40 is located between the first electrode 21 and the second electrode 22 in a plan view from the z direction (see FIG. 1).
  • the first ferromagnetic layer 40 has a long axis in the x direction, for example.
  • the first ferromagnetic layer 40 includes a ferromagnetic material.
  • the ferromagnetic material forming the first ferromagnetic layer 40 include metals selected from the group consisting of Cr, Mn, Co, Fe and Ni, alloys containing one or more of these metals, and these metals and B.
  • An alloy containing at least one element of C, C, and N can be used. Specific examples include Co-Fe, Co-Fe-B, and Ni-Fe.
  • the material forming the first ferromagnetic layer 40 may be a Heusler alloy.
  • Heusler alloy is a half metal and has a high spin polarizability.
  • the Heusler alloy is an intermetallic compound having a chemical composition of XYZ or X 2 YZ, X is a transition metal element or a noble metal element of Co, Fe, Ni, or Cu group on the periodic table, and Y is Mn, V. , Cr or Ti group transition metal or X element species, and Z is a group III to V group typical element.
  • Examples of the Heusler alloy include Co 2 FeSi, Co 2 FeGe, Co 2 FeGa, Co 2 MnSi, Co 2 Mn 1-a Fe a Al b Si 1-b , and Co 2 FeGe 1-c Ga c .
  • the film thickness of the first ferromagnetic layer 40 is preferably 1.5 nm or less, and 1.0 nm or less when the easy magnetization axis of the first ferromagnetic layer 40 is in the z direction (perpendicular magnetization film). Is more preferable.
  • the perpendicular magnetic anisotropy (interfacial perpendicular magnetic anisotropy) is generated in the first ferromagnetic layer 40 at the interface between the first ferromagnetic layer 40 and another layer (nonmagnetic layer 30).
  • Anisotropy can be added. That is, the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 40 can be set to the z direction.
  • Non-magnetic layer 30 A known material can be used for the nonmagnetic layer 30.
  • the nonmagnetic layer 30 is made of an insulator (when it is a tunnel barrier layer)
  • Al 2 O 3 , SiO 2 , MgO, MgAl 2 O 4 or the like can be used as the material thereof.
  • a material in which a part of Al, Si, Mg is replaced with Zn, Be, or the like can be used.
  • MgO and MgAl 2 O 4 are materials that can realize a coherent tunnel, and therefore spins can be efficiently injected.
  • the non-magnetic layer 30 is made of metal
  • Cu, Au, Ag, or the like can be used as the material.
  • the nonmagnetic layer 30 is made of a semiconductor, Si, Ge, CuInSe 2 , CuGaSe 2 , Cu (In, Ga) Se 2 or the like can be used as the material thereof.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 face the domain wall motion layer 10. Another layer may be provided between the first electrode 21 and the second electrode 22 and the domain wall motion layer 10. The first electrode 21 and the second electrode 22 may face any surface of the domain wall motion layer 10. The first electrode 21 and the second electrode 22 are arranged apart from each other.
  • the first electrode 21 and the second electrode 22 are magnetic materials, for example.
  • the orientation of the magnetization of the first electrode 21 is the same direction as the first magnetic domain 10A (eg, ⁇ z direction), and the orientation of the magnetization of the second electrode 22 is the same direction as the second magnetic domain 10B (eg, + z direction). Is.
  • the moving range of the domain wall 10C is limited.
  • the magnetization of the first electrode 21 is oriented in the ⁇ z direction
  • the magnetization of the first magnetic domain 10A immediately below the first electrode 21 is fixed in the ⁇ z direction.
  • the movement of the domain wall 10C in the ⁇ x direction is restricted from the end of the first electrode 21 on the first ferromagnetic layer 40 side.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 according to the first embodiment has the SOT suppressing portion 13 to suppress the development of SOT in the domain wall motion layer 10.
  • the SOT hinders the magnetization reversal due to the STT, which causes the movement of the domain wall 10C to be disturbed.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 according to the first embodiment can efficiently move the domain wall 10C and can be driven with low power consumption.
  • FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the domain wall motion layer 15 of the domain wall motion type magnetic recording element according to the first modification.
  • the same components as those of the domain wall motion layer 10 shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the domain wall motion layer 15 has a first layer 11, a second layer 12, and an SOT suppressing portion 13.
  • the SOT suppressing unit 13 exists only on the first surface 12a (lamination surface) of the second layer 12.
  • the rare earth metal forming the first layer 11 is implanted into the first surface 12a of the second layer 12.
  • the rare earth metal is heavier and larger than the transition metal forming the second layer 12.
  • Heavy and large atoms are easily implanted in other layers by sputtering, and mixing is likely to occur. Also, the heavy and large atoms cause scattering of electrons, which causes the spin Hall effect to be remarkably exhibited. That is, the rare earth metal mixed in the second layer 12 is a cause of generating a larger SOT due to the spin Hall effect than the transition metal mixed in the first layer 11.
  • FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view of the domain wall motion layer 16 of the domain wall motion type magnetic recording element according to the second modification.
  • the same components as those of the domain wall motion layer 10 shown in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the domain wall motion layer 16 has a first layer 11, a second layer 12, and an SOT suppression unit 13.
  • the first surfaces 11a and 12a of the first layer 11 and the second layer 12 shown in FIG. 8 have irregularities reflecting the shape of the surfaces to be laminated. Concavities and convexities are formed on the laminated surface by the SOT suppressing portion 13 protruding from the first surfaces 11a and 12a.
  • “reflecting” does not mean that the first surfaces 11a and 12a completely reflect the shape of the laminated surface. If the rate of change of the surface shape of the adjacent layer is within 10% in the z direction and within 10% in the xy direction, it can be said that the change is reflected.
  • FIG. 9 is a sectional view of a domain wall motion type magnetic recording element 100A according to Modification 3.
  • the same components as those of the domain wall motion type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the SOT suppressing portion 13 is in a position overlapping the first ferromagnetic layer 40 in a plan view from the z direction.
  • the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100A changes depending on the magnetization state of the domain wall motion layer 10 at a position overlapping the first ferromagnetic layer 40 in a plan view from the z direction. In other words, when the domain wall 10C (see FIG. 1) is located at a position not overlapping the first ferromagnetic layer 40 in a plan view from the z direction, the resistance value of the domain wall motion type magnetic recording element 100A does not change.
  • the location where the movement of the domain wall 10C should be controlled most is the portion of the domain wall moving layer 10 that overlaps the first ferromagnetic layer 40 in a plan view from the z direction.
  • the magnetic domain wall motion type magnetic recording element 100A according to Modification 3 is provided with the SOT suppressing portion 13 at the relevant portion, and the movement of the magnetic domain wall 10C can be sufficiently controlled.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of a domain wall motion type magnetic recording element 100B according to Modification 4.
  • the same components as those of the domain wall motion type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100B has an underlayer 50 on the surface of the domain wall motion layer 10 opposite to the first surface 10a facing the first ferromagnetic layer 40.
  • the underlayer 50 controls crystallinity such as crystal orientation and crystal grain size of each layer including the first ferromagnetic metal layer 1.
  • the magnetization M 10A of the domain wall displacement layer 10 enhances the orientation of the magnetization M 40 of the M 10B and the first ferromagnetic layer 40, to increase the rate of change in resistance of the domain wall motion type magnetic recording element 100B.
  • the underlayer 50 is a single layer of Ru, Ti, Cu, SiO 2 , MgO or SiN or a laminated body of these.
  • a spin Hall effect occurs in the underlayer 50.
  • Spins oriented in one direction due to the spin Hall effect move in the + z direction and are injected into the domain wall motion layer 10 (see FIG. 6).
  • the spin injected into the domain wall motion layer 10 causes the movement of the domain wall 10C to be hindered.
  • the underlayer 50 does not hinder the movement of the domain wall 10C.
  • FIG. 11 is a perspective view of a domain wall motion type magnetic recording element 100C according to Modification 5.
  • the magnetic domain wall motion type magnetic recording element 100C shown in FIG. 11 is different from the magnetic domain wall motion type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 in that the second ferromagnetic layer 60 is provided between the magnetic domain wall motion layer 10 and the non-magnetic layer 30. different.
  • the second ferromagnetic layer 60 reflects the magnetic state of the domain wall motion layer 10.
  • the second ferromagnetic layer 60 contains a magnetic material.
  • the magnetic material forming the second ferromagnetic layer 60 the same magnetic material as that of the first ferromagnetic layer 40 can be used.
  • the second ferromagnetic layer 60 is adjacent to the domain wall displacement layer 10.
  • the magnetizations M 60A and M 60B of the second ferromagnetic layer 60 are magnetically coupled to the magnetization of the domain wall motion layer 10.
  • the second ferromagnetic layer 60 reflects the magnetic state of the domain wall motion layer 10.
  • the magnetic state of the second ferromagnetic layer 60 is the same as the magnetic state of the domain wall displacement layer 10.
  • the magnetic state of the second ferromagnetic layer 60 is opposite to the magnetic state of the domain wall displacement layer 10.
  • the MR ratio of the domain wall motion type magnetic recording element 100C is caused by a change in the magnetic state of the two magnetic bodies (the first ferromagnetic layer 40 and the second ferromagnetic layer 60) that sandwich the nonmagnetic layer 30.
  • the second ferromagnetic layer 60 preferably contains a material that easily obtains the coherent tunnel effect with the first ferromagnetic layer 40.
  • the domain wall moving layer 10 contains a material that makes the moving speed of the domain wall 10C slow.
  • the domain wall motion layer 10 is one of the two magnetic bodies sandwiching the nonmagnetic layer 30.
  • the domain wall motion layer 10 is made of a material that allows the domain wall motion speed of the domain wall 10C to be slow and improves the MR ratio of the domain wall motion type magnetic recording element 100. Is preferred.
  • the domain wall motion layer 10 is not two magnetic bodies sandwiching the nonmagnetic layer 30.
  • the material forming the domain wall motion layer 10 has little influence on the MR ratio of the domain wall motion type magnetic recording element 100C. Therefore, in the domain wall motion type magnetic recording element 100C shown in FIG. 11, the degree of freedom in selecting the material of the domain wall motion layer 10 is increased.
  • FIG. 12 is a perspective view of the domain wall motion element 110 according to the second embodiment.
  • the domain wall motion element 110 shown in FIG. 12 differs from the domain wall motion type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 in that it does not have the nonmagnetic layer 30 and the first ferromagnetic layer 40.
  • the domain wall motion element 110 according to the second embodiment can be applied to the above domain wall motion type magnetic recording element. Further, the present invention is not limited to this application, but can be applied to other applications. As another application, for example, the domain wall motion element 110 can be provided in each pixel and used as a spatial light modulator that spatially modulates incident light by utilizing a magneto-optical effect.
  • FIG. 13 is a plan view of the magnetic recording array 120 according to the third embodiment.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1 is arranged in a 3 ⁇ 3 matrix.
  • FIG. 13 shows an example of the magnetic recording array, and the type, number and arrangement of the domain wall motion type magnetic recording elements 100 are arbitrary. Further, instead of the domain wall motion type magnetic recording element 100 shown in FIG. 1, a domain wall motion type magnetic recording element according to a modified example may be used.
  • One word line WL1 to WL3, one bit line BL1 to BL3, and one read line RL1 to RL3 are connected to each domain wall motion type magnetic recording element 100.
  • a pulse current is passed through the domain wall motion layer 10 of any domain wall motion type magnetic recording element 100 to perform a write operation. Further, by selecting the read lines RL1 to RL3 and the bit lines BL1 to BL3 to which a current is applied, a current is caused to flow in the stacking direction of the domain wall motion type magnetic recording element 100, and a reading operation is performed.
  • the word lines WL1 to WL3, the bit lines BL1 to BL3, and the read lines RL1 to RL3 to which current is applied can be selected by transistors or the like.
  • the domain wall motion type magnetic recording element 100 can record data in analog instead of digital signals of "1" and "0". Therefore, the magnetic recording array 120 can be used in a neuromorphic device that imitates the brain.

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Abstract

この磁壁移動型磁気記録素子（100）は、希土類金属を含む第１層（11）と遷移金属を含む第２層（12）とが、第１方向（Z）に向かって交互に積層された磁壁移動層（10）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（21）及び第２電極（22）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（13）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。

Description

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
　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Ｍ６０Ａ、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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