JP2020021857A - 磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】磁壁の制御性に優れた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。【解決手段】この磁壁移動型磁気記録素子は、第１の方向に積層された第１磁化固定部と、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第１磁化固定部と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、前記磁気記録層と電気的に接続された第１ビア部と、を備え、前記第１ビア部は、前記第１磁化固定部より前記第２の方向に位置し、前記第２の方向と直交する第３の方向において、前記第１ビア部の幅は、前記第１磁化固定部と重畳する位置における前記磁気記録層の第１部分の幅より広い。【選択図】図１

Description

本発明は、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に注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ 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、磁壁移動型磁気記録素子が記載されている。磁壁移動型磁気記録素子は、磁壁の位置によって抵抗値が変化する。この抵抗値変化を読み出すことで、磁壁移動型磁気記録素子は、多値のメモリとして機能する。

特許第５３６０５９６号公報

磁壁移動型磁気記録素子は、磁壁を制御することで、データを記録する。磁壁の安定的な制御は、データ記録の信頼性を高める。しかしながら、これまでの磁壁移動型磁気記録素子では、書き込みの際に流れる電流によって磁気記録層に発熱が生じ、その影響により磁壁を安定的に連続動作させることが困難である。その結果として多値メモリとしてのデータ記録の信頼性が低下する可能性があった。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁壁の制御性に優れた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の態様に係る磁壁移動型磁気記録素子は、第１の方向に積層された第１磁化固定部と、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第１磁化固定部と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、前記磁気記録層と電気的に接続された第１ビア部と、を備え、前記第１ビア部は、前記第１磁化固定部より前記第２の方向に位置し、前記第２の方向と直交する第３の方向において、前記第１ビア部の幅は、前記第１磁化固定部と重畳する位置における前記磁気記録層の第１部分の幅より広い。

（２）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁気記録層は、前記第１部分より前記第１ビア部側に第２部分を含み、前記磁気記録層を前記第２の方向と垂直な面で切断した断面積は、前記第１部分より前記第２部分が大きくてもよい。

（３）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１の方向からの平面視で、前記第２部分の前記第１磁化固定部に近い側の第１端は、前記第１磁化固定部と前記第１ビア部との間に位置にあってもよい。

（４）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第３の方向において、前記第２部分の幅は、前記第１部分の幅より広くてもよい。

（５）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２部分の厚さは、前記第１部分の厚さより厚くてもよい。

（６）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２部分の断面積が、前記第１ビア部に向かって徐々に大きくなってもよい。

（７）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１ビア部を前記第１の方向と垂直な面で切断した断面積が連続的に変化してもよい。

（８）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１の方向からの平面視で、前記第１ビア部の前記第１磁化固定部に近い側の第１端は直線をなし、前記直線は、前記第３の方向に主として延びる構成でもよい。

（９）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、記第１の方向からの平面視で、前記第１ビア部と前記第１磁化固定部を挟む位置で、 前記磁気記録層と電気的に接続された第２ビア部をさらに備え、前記第３の方向において、前記第２ビア部の幅は、前記磁気記録層の幅より広くてもよい。

（１０）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２ビア部と前記磁気記録層との間に第２磁化固定部をさらに備えてもよい。

（１１）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２ビア部と前記第１ビア部との前記第２の方向の距離は、前記第１磁化固定部の前記第２の方向の幅より狭くてもよい。

（１２）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１磁化固定部又は前記第２磁化固定部は、前記磁気記録層に近い側から磁化固定層、スペーサ層、カップリング層を備え、前記磁化固定層と前記カップリング層とは、反強磁性カップリングしていてもよい。

（１３）第２の態様に係る磁気記録アレイは、上記態様に係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型磁気記録素子によれば、磁壁の制御性を高めることができる。

第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の斜視図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の平面図である。 第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の平面図である。 比較例に係る磁壁移動型磁気記録素子の平面図である。 図４に示す磁壁移動型磁気記録素子の磁気記録層に書き込み電流を印加した際に、ｙ方向に生じる温度分布を示す。 図３に示す磁壁移動型磁気記録素子の磁気記録層に書き込み電流を印加した際に、ｙ方向に生じる温度分布を示す。 第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の平面図である。 第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面図である。 第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の平面図である。 第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の平面図である。 第５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６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７実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の斜視図である。 第８実施形態にかかる磁気記録アレイの平面図である。

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。

（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。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１磁化固定部１０と、磁気記録層２０と、非磁性層３０と、磁化転写層３５と、第２磁化固定部４０と、第１ビア部５０と、第２ビア部６０と、を備える。以下の図では、第１磁化固定部１０、磁気記録層２０、非磁性層、磁化転写層、及び第２磁化固定部を、平面視で四角形として図示しているが、この場合に限られず円形でも、楕円形でもよい。また第１ビア部５０及び第２ビア部６０も平面視円形に限られない。

以下、第１磁化固定部１０が積層された第１の方向をｚ方向、磁気記録層２０が延びた第２の方向をｘ方向、ｘ方向及びｚ方向に直交する第３の方向をｙ方向とする。

＜第１磁化固定部＞
図１に示す第１磁化固定部１０は、第１磁化固定層１１と、スペーサ層１２と、第１カップリング層１３とを備える。第１磁化固定層１１は、磁気記録層２０側に位置する。第１カップリング層１３は、磁気記録層２０から離れた位置にある。スペーサ層１２は、第１磁化固定層１１と第１カップリング層１３との間に位置する。第１磁化固定層１１と第１カップリング層１３とは、反強磁性カップリングしている。

第１磁化固定層１１は、強磁性体を含む。第１磁化固定層１１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。

第１磁化固定層１１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又はＸ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

第１磁化固定層１１の膜厚は、第１磁化固定層１１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磁化固定層１１の膜厚を薄くすると、第１磁化固定層１１と他の層（非磁性層３０）との界面で、第１磁化固定層１１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磁化固定層１１の磁化の向きをｚ方向にできる。

第１カップリング層１３は、強磁性体を含む。第１カップリング層１３は、第１磁化固定層１１とシンセティック強磁性結合構造（ＳＡＦ構造）をなす。第１カップリング層１３は、第１磁化固定層１１の保磁力を高める。第１カップリング層１３は、第１磁化固定層１１からの漏れ磁場の影響を低減する。第１カップリング層１３には、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いることができる。

スペーサ層１２は、非磁性である。第１磁化固定層１１の磁化と第１カップリング層１３の磁化とは、スペーサ層１２を挟むことで反強磁性カップリングする。

スペーサ層１２は、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含むことが好ましい。これらの元素は多くのスピンを有し、スピン軌道相互作用が大きい。そのため、隣接する二つの強磁性層（第１磁化固定層１１及び第１カップリング層１３）の磁化に強く作用し、強く反強磁性カップリングする。スペーサ層１２の膜厚は、用いる材料にもよるが３Å以上１０Å以下であることが好ましい。

＜磁気記録層＞
磁気記録層２０は、ｘ方向に延びている。磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有する。磁壁２１は、互いに反対方向の磁化を有する第１の磁区２２と第２の磁区２３との境界である。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１の磁区２２が＋ｚ方向に配向した磁化を有し、第２の磁区２３が−ｚ方向に配向した磁化を有する。

磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁気記録層２０の磁壁２１の位置によって、データを多値又は連続的に記録する。磁気記録層２０に記録されたデータは、例えば第１磁化固定部１０と第１ビア部５０との間の抵抗値変化として読み出される。磁壁２１が移動すると、磁気記録層２０における第１の磁区２２と第２の磁区２３との比率が変化する。第１磁化固定層１１の磁化は、第１の磁区２２の磁化と同じ方向（平行）であり、第２の磁区２３の磁化と反対方向（反平行）である。磁壁２１がｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１磁化固定層１１と重畳する部分における第１の磁区２２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。反対に、磁壁２１が−ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１磁化固定層１１と重畳する部分における第２の磁区２３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。

磁壁２１は、磁気記録層２０の延在方向に電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、磁気記録層２０が主としてスピントランスファートルク（STT）の効果を利用する構成である場合、第１ビア部５０から第２ビア部６０に電流パルスを印加すると、第１の磁区２２において＋ｚ方向にスピン偏極した電子が第２の磁区２３へ流れ込むことにより、、磁壁２１が第２の磁区２３の方向へ移動する。磁気記録層２０内に流す電流の方向、強度を設定することで、磁壁２１の位置が制御される。なお、磁気記録層２０が主としてスピン軌道トルク（SOT）の効果を利用する構成である場合、電流と同じ向きに磁壁２１を移動できる。

磁気記録層２０は、磁性体により構成される。磁気記録層２０を構成する磁性体は、第１磁化固定層１１と同様のものを用いることができる。また磁気記録層２０は、Ｃｏ、Ｎｉ、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。例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、Ｃｏ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、磁壁を移動するために必要な閾値電流を下げることができる。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、磁壁の移動速度を抑えることができる。

＜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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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ＭｇＡｌ_２Ｏ_４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、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

＜磁化転写層＞
磁化転写層３５は、磁性体を含む。磁化転写層３５を構成する磁性体は、第１磁化固定層１１と同様のものを用いることができる。

磁化転写層３５は、磁気記録層２０と隣接している。磁化転写層３５の磁化は、磁気記録層２０の磁化と磁気結合している。磁化転写層３５は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。磁化転写層３５と磁気記録層２０とが強磁性カップリングする場合は磁化転写層３５の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と同一になり、磁化転写層３５と磁気記録層２０とが反強磁性カップリングする場合は磁化転写層３５の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と反対になる。

磁化転写層３５は、磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を高めることができる。磁壁移動型磁気記録素子１００のＭＲ比は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体（第１磁化固定層１１と磁化転写層３５）の磁化状態の変化により生じる。

磁化転写層３５が存在しない場合、磁気記録層２０に用いることができる材料は制限される。ＭＲ比を高く、かつ、磁壁２１を制御しやすい材料を選択する必要があるためである。これに対し、磁化転写層３５を設けると、各層の機能を分担できる。例えば、磁化転写層３５にＭＲ比の向上する機能を主として担わせ、磁気記録層２０に磁壁２１を移動させる機能を主として担わせる。磁化転写層３５は、第１磁化固定層１１とのコヒーレントトンネル効果を得られる材料を選択し、磁気記録層２０は、磁壁の移動速度が遅くなる材料を選択する。

＜第２磁化固定部＞
第２磁化固定部４０は、第２磁化固定層４１と、スペーサ層４２と、第２カップリング層４３とを備える。第２磁化固定層４１は、磁気記録層２０側に位置する。第２カップリング層４３は、磁気記録層２０から離れた位置にある。スペーサ層４２は、第２磁化固定層４１と第２カップリング層４３との間に位置する。第２磁化固定層４１と第２カップリング層４３とは、反強磁性カップリングしている。

第２磁化固定部４０は、磁気記録層２０の磁壁２１が磁気記録層２０の端部に達して、磁気記録層２０全体が単磁区化することを防ぐ。。磁壁２１は、第２磁化固定層４１の磁化の影響を受けて、第２磁化固定部４０の第１磁化固定部１０側の端面までしか移動しない。

第２磁化固定層４１、スペーサ層４２及び第２カップリング層４３のそれぞれは、第１磁化固定層１１、スペーサ層１２及び第１カップリング層１３のそれぞれと同様の構成、材料を用いることができる。

＜第１ビア部＞
第１ビア部５０は、磁気記録層２０と電気的に接続されている。第１ビア部５０は、磁気記録層２０と直接接続されていても、間に別の層を介して接続されていてもよい。第１ビア部５０は、ｚ方向からの平面視で、第２磁化固定部４０と第１磁化固定部１０を挟む。第１ビア部５０は、磁気記録層２０からｚ方向に延びる。

第１ビア部５０には、導電性の高い材料を用いることができる。具体的には、第１ビア部５０は、磁気記録層２０よりも電気抵抗率の低い材料を用いることが好ましい。例えば、銅、アルミニウム、銀等が挙げられる。またこの他、導電性を有する窒化膜等を用いることができる。

図２は、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００の平面図である。図２は、ｚ方向からの平面図に対応する。図２に示すように、第１ビア部５０の幅Ｗ_５０は、磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広い。図２に示す磁気記録層２０は、ｙ方向の幅が一定であり、磁気記録層２０の幅Ｗ_２０は、磁気記録層の第１部分２０Ａの幅と等しい。第１部分２０Ａは、ｚ方向からの平面視でｘ方向に第１磁化固定部１０と重畳する位置における磁気記録層２０の一部分である。各部分の幅はｙ方向の幅を意味する。第１部分２０Ａにおける幅は、第１磁化固定部１０のｙ方向の幅が磁気記録層２０のｙ方向の幅より狭い場合でも、第１磁化固定部１０と重なる部分の幅（第１磁化固定部１０の幅）ではなく、磁気記録層２０の幅を意味する。

第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広いと、磁気記録層２０の磁壁２１の制御性が高まる。

第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広いと、ｚ方向からの平面視で磁気記録層２０と第１ビア部５０とが重畳する部分において、電流密度が急激に低下する。電流密度の低下は、磁壁２１の移動を制限する。ｘ方向に移動した磁壁２１は、第１ビア部５０との境界面Ｂで移動が制限される。磁気記録層２０の第１端２０ａまで磁壁２１が至らなければ、磁気記録層２０は単磁区化しない。つまり、第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広くすることで、磁壁２１の移動範囲を制限できる。磁気記録層２０と第１ビア部５０との間に磁化固定部が不要となり、磁壁移動型磁気記録素子１００の素子構成が簡素化する。

また第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広いと、データを書き込む際に生じる熱分布が小さくなる。第１ビア部５０は、磁気記録層２０より熱伝導性に優れる材料で構成される。磁気記録層２０の各点の温度は、排熱部である第１ビア部５０からの距離の影響を大きく受ける。第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広いと、磁気記録層２０のｙ方向の熱分布が小さくなる。

磁壁２１の移動速度は、温度の影響を受ける。磁壁２１の移動速度は、温度が高い部分で早く、低い部分では遅くなる。磁気記録層２０のｙ方向の熱分布が小さいと、磁壁２１は、ｙ方向と平行に近い状態で移動する。つまり、第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広くすることで、磁壁２１の傾きを制限できる。

磁壁２１がｙ方向に対して傾斜すると、磁壁２１のｙ方向に対する傾斜角等も磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値に影響を及ぼす。磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値に影響を及ぼすパラメータが増えると、データを安定的に記録することが難しくなる。

＜第２ビア部＞
第２ビア部６０は、第１ビア部５０と第１磁化固定部１０を挟む位置にある。第２ビア部６０は、第２磁化固定部４０の磁気記録層２０と反対側に位置する。

第２ビア部６０には、導電性の高い材料を用いることができる。例えば、銅、アルミニウム、銀等が挙げられる。またこの他、導電性を有する窒化膜等を用いることができる。

図１に示す第２ビア部６０のｙ方向の幅は、磁気記録層２０のｙ方向の幅より広い。第２ビア部６０は、磁気記録層２０より熱伝導性に優れる材料で構成される。第２ビア部６０の幅が磁気記録層２０の幅より広いと、データを書き込む際に生じる熱分布が小さくなる。

第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００は、公知の方法で作製できる。磁壁移動型磁気記録素子１００の各層を成膜し、所定の形状に加工する。成膜は、スパッタリング法、化学気相成長法（ＣＶＤ）等を用いることができる。加工は、フォトリソグラフィー等の技術を用いることができる。

上述のように、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００によれば、磁壁２１の移動範囲を制御することができる。

磁気記録層２０の第１の磁区２２と第２の磁区２３とは、磁化の配向方向が反対である。第１の磁区２２と第２の磁区２３のそれぞれの磁化を固定するためには、磁気記録層２０に異なる磁化方向の磁化固定部が２つ設けられる。異なる磁化方向の磁化固定部を同一面内に作製することは難しい。第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１ビア部５０と磁気記録層２０の幅を調整するだけで磁壁２１の移動範囲を制御でき、磁化固定部の数を少なくできる。

また第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００によれば、磁壁２１の傾きを制御できる。磁壁２１がｙ方向と平行に近い状態で移動することで、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値に影響を及ぼすノイズを減らし、データを安定的に記録できる。

「第２実施形態」
図３は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１を模式的に示した平面図である。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は磁気記録層７０の形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気記録層２０と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については説明を省く。

磁気記録層７０は、第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂを有する。第１部分７０Ａは、ｚ方向からの平面視でｘ方向に第１磁化固定部１０と重畳する磁気記録層７０の一部分である。第２部分７０Ｂは、第１部分７０Ａより第１ビア部５０側に位置する。

第２部分７０Ｂのｙ方向の幅Ｗ_７０Ｂは、第１部分７０Ａのｙ方向の幅Ｗ_７０Ａより広い。図３に示す磁気記録層７０は、第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂの厚みは等しい。そのため第２部分７０Ｂをｙｚ平面で切断した断面積は、第１部分７０Ａをｙｚ平面で切断した断面積より大きい。

第１ビア部５０のｙ方向の幅Ｗ_５０は、第１部分７０Ａのｙ方向の幅Ｗ_７０Ａより広く、第２部分７０Ｂのｙ方向の幅Ｗ_７０Ｂより広い。磁気記録層７０は、第１の磁区７２と第２の磁区７３との間に磁壁７１を有する。

図３では、ｚ方向からの平面視で、第２部分７０Ｂの第１磁化固定部１０に近い側の第１端７０Ｂ１は、第１磁化固定部１０と第１ビア部５０との間に位置にある。第１端７０Ｂ１は、第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂとの境界である。第１端７０Ｂ１及び第１ビア部５０と磁気記録層７０との境界面Ｂで、書き込み電流の電流密度は急激に低下し、磁壁７１の移動が抑制される。磁壁７１の移動が抑制される箇所を複数設けることで、磁気記録層７０の単磁区化をより抑制できる。

図４は、比較例に係る磁壁移動型磁気記録素子の平面図である。図４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２は、第１ビア部５０’の構成が、図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１と異なる。第１ビア部５０’のｙ方向の幅Ｗ_５０’は、第１部分７０Ａのｙ方向の幅Ｗ_７０Ａより狭い。

図５は、図４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２の磁気記録層７０に書き込み電流を印加した際に、ｙ方向に生じる温度分布を示す。図５（ａ）は、図４における第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂとの境界であるＹ１−Ｙ１面のｙ方向の温度分布であり、図５（ｂ）は、図４おける第１ビア部５０’を通るＹ２−Ｙ２面のｙ方向の温度分布である。

第１ビア部５０’は、磁気記録層７０より熱伝導性に優れる材料で構成される。磁気記録層７０の第１ビア部５０’と接する部分は、他の部分より排熱されやすい。磁気記録層７０の各点の温度は、排熱部である第１ビア部５０’からの距離の影響を大きく受ける。そのため、Ｙ２−Ｙ２面において図５（ｂ）に示す温度分布が形成される。この関係は、Ｙ１−Ｙ１面においても同様である。第１ビア部５０’からの距離が近いｙ方向の中央部の温度は低くなり、図５（ａ）に示す温度分布が形成される。

磁壁７１の移動速度は、温度の影響を受ける。磁壁７１の移動速度は、温度が高い部分で早く、低い部分では遅くなる。温度の影響を受けて、磁壁７１は湾曲する。磁壁７１が湾曲すると、第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂとの境界面に対して、磁壁７１が斜めに侵入する。磁壁７１が境界面に対して斜めに侵入すると、第１の磁区７２の一部が第２部分７０Ｂに浸みだすやすくなる。つまり、磁壁７１の移動を十分抑制できず、磁気記録層７０が単磁区化する場合がある。

図６は、図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１の磁気記録層７０に書き込み電流を印加した際に、ｙ方向に生じる温度分布を示す。図６（ａ）は、図３における第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂとの境界であるＹ１−Ｙ１面のｙ方向の温度分布であり、図６（ｂ）は、図３おける第２部分７０Ｂを通るＹ２−Ｙ２面のｙ方向の温度分布である。

第１ビア部５０は、磁気記録層７０より熱伝導性に優れる材料で構成される。磁気記録層７０の各点の温度は、排熱部である第１ビア部５０からの距離の影響を大きく受ける。第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が第２部分７０Ｂのｙ方向の幅Ｗ_７０Ｂより広いと、図６（ｂ）に示すように、Ｙ２−Ｙ２面のｙ方向の熱分布は小さくなる。また第１ビア部５０の幅Ｗ_５０が第１部分７０Ａのｙ方向の幅Ｗ_７０Ａより広いと、図６（ａ）に示すように、Ｙ１−Ｙ１面のｙ方向の熱分布は小さくなる。

磁気記録層７０のｙ方向の熱分布が小さいと、磁壁７１は、ｙ方向と平行に近い状態で移動する。つまり、磁壁７１の傾きが制限され、磁壁移動型磁気記録素子１００はデータを安定的に記録できる。

上述のように、第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１０１によれば、磁壁７１の移動範囲をより制御し、磁気記録層７０の単磁区化をより防ぐことができる。また磁壁７１がｙ方向と平行に近い状態で移動することで、磁壁移動型磁気記録素子１０１の抵抗値に影響を及ぼすノイズを減らし、データを安定的に記録できる。

第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、図３に示す例に限られない。図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２は、磁気記録層７０が幅の異なる部分を２つ（第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂ）有する構成を図示したが、３つ以上の構成でもよい。図７は、磁気記録層７０が幅の異なる部分を３つ（第１部分７０Ａ、第２部分７０Ｂ及び第３部分７０Ｃ）有する磁壁移動型磁気記録素子１０３の平面図である。

また図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２は、幅方向の広さの違いにより、第２部分７０Ｂの断面積を第１部分７０Ａの断面積より大きくしたが、厚みを変えてこれらの断面積を調整してもよい。図８は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０４のｘｚ平面における断面図である。図８に示す磁壁移動型磁気記録素子１０４は、第１部分７０Ａと、第１部分７０Ａより厚みの厚い第２部分７０Ｂと、を有する。第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂとの境界面で、磁壁７１の移動を制御できる。

「第３実施形態」
図９は、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５を模式的に示した平面図である。第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５は磁気記録層８０の形状が、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気記録層２０と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については説明を省く。

磁気記録層８０は、第１部分８０Ａと第２部分８０Ｂを有する。第１部分８０Ａは、ｚ方向からの平面視でｘ方向に第１磁化固定部１０と重畳する位置における磁気記録層８０の一部分である。第２部分８０Ｂは、第１部分８０Ａより第１ビア部５０側に位置する。

第２部分８０Ｂのｙ方向の幅は、第１ビア部５０に向かって徐々に大きくなっている。徐々に大きくなるとは、段階的又は連続的に大きくなることを意味する。図９に示す磁気記録層８０は、第１部分８０Ａの厚みと第２部分８０Ｂの厚みとが等しい。そのため第２部分８０Ｂをｙｚ平面で切断した断面積は、第１ビア部５０に向かって徐々に大きくなる。

第１ビア部５０のｙ方向の幅Ｗ_５０は、第１部分８０Ａのｙ方向の幅Ｗ_８０Ａより広い。磁気記録層８０は、第１の磁区８２と第２の磁区８３との間に磁壁８１を有する。

第１部分８０Ａと第２部分８０Ｂとの境界面及び第１ビア部５０と磁気記録層８０との境界面Ｂで、書き込み電流の電流密度が低下し、磁壁８１の移動が抑制される。磁壁８１の移動が抑制される箇所を複数設けることで、磁気記録層８０の単磁区化をより抑制できる。

電流密度が急激に変化する部分は、電流の流れが乱され、抵抗が生じる原因となる。第２部分８０Ｂのｙ方向の幅が徐々に大きくなることで、不要な抵抗発生を抑制できる。不要な抵抗は、磁壁移動型磁気記録素子１０５のノイズとなりうる。磁壁移動型磁気記録素子１０５のノイズが低減されることで、磁壁移動型磁気記録素子１０５のはデータを安定的に記録できる。

また図９に示す磁壁移動型磁気記録素子１０５は、幅方向の広さを徐々に大きくすることで第２部分７０Ｂの断面積を徐々に大きくした。第２部分７０Ｂの厚みを変えて断面積を徐々に大きくしてもよい。

「第４実施形態」
図１０は、第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０６を模式的に示した平面図である。第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０６は、第１ビア部５１のｚ方向からの平面視形状が、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１の第１ビア部５０と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については説明を省く。

第１ビア部５１は、ｚ方向からの平面視で、第１端５１Ｂ１が直線をなす。第１端５１Ｂ１は、第１ビア部５１の第１磁化固定部１０に近い側の端面である。第１端５１Ｂ１は、ｙ方向に主として延びる。ｙ方向に主として延びるとは、第１端５１Ｂ１のベクトル成分の主方向がｙ方向であることを意味する。

第１ビア部５１の第１端５１Ｂ１がｙ方向に配向すると、磁気記録層７０のｙ方向の熱分布がより抑制される。ｘ方向の同位置における磁気記録層７０の各部分から第１ビア部５１への最短距離が、ｘ方向の同位置における磁気記録層７０の各部分から第１端５１Ｂ１に下した垂線の長さとなり、各部分からの距離が一定になるためである。

また磁壁７１と第１端５１Ｂ１は略平行になる。そのため、第１端５１Ｂ１は、磁壁７１の移動を強く抑制する。磁壁７１が第１部分７０Ａと第２部分７０Ｂの境界を通過し、第１端５０Ｂ１に至った場合でも、磁壁７１が第１端５１Ｂ１を通過して単磁区化することをより抑制できる。

「第５実施形態」
図１１は、第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０７を模式的に示した斜視図である。第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０７は、第１ビア部５０と第２ビア部６０との距離が異なる点が、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については説明を省く。

第５実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０７は、第２ビア部６０と第１ビア部５０とのｘ方向の距離Ｌ２は、第１磁化固定部１０のｘ方向の幅Ｌ１より狭い。ｚ方向から見て、第１ビア部５０及び第２ビア部６０は第１磁化固定部１０と一部で重畳する。

磁気記録層２０は、第１磁化固定部１０、第１ビア部５０及び第２ビア部６０と比較して熱伝導性に劣る。磁気記録層２０は、書き込み電流が印加されると発熱する。生じた熱は、第１磁化固定部１０、第１ビア部５０及び第２ビア部６０に伝導し、排熱される。第１磁化固定部１０、第１ビア部５０及び第２ビア部６０と接していない領域は、排熱性に劣り、発熱しやすい。例えば、排熱部から５００ｎｍ離れると１６０℃程度温度が上昇する場合がある。

第２ビア部６０と第１ビア部５０とのｘ方向の距離Ｌ２を第１磁化固定部１０のｘ方向の幅Ｌ１より狭く設計すると、磁気記録層２０はｙ方向に第１磁化固定部１０、第１ビア部５０及び第２ビア部６０のいずれかと接する。そのため、磁気記録層２０の発熱を抑制できる。また効率的に熱が排熱されることで、ｙ方向の熱分布がより小さくなる。

また第１磁化固定部１０と第１ビア部５０及び第２ビア部６０とがｚ方向から見て重畳しない場合は、１つの素子のために第１磁化固定部１０と第１ビア部５０及び第２ビア部６０とのそれぞれの面積を足した分の面積が必要である。これに対して、第１ビア部５０及び第２ビア部６０と第１磁化固定部１０とがｚ方向から見て一部で重畳すると、１つの素子に必要な面積が、その重畳している面積分だけ小さくなる。すなわち、複数の素子をより効率的に集積回路内に集積することができる。

第１ビア部５０及び第２ビア部６０のｘ方向及びｙ方向の幅は、設計されており自由に変更することはできない。例えば、現状の半導体における最小加工寸法（feature size：Ｆ）は７ｎｍと言われており、第１ビア部５０及び第２ビア部６０のｘ方向及びｙ方向の幅は最小で７ｎｍである。換言すると、第１ビア部５０及び第２ビア部６０のｘ方向及びｙ方向の幅は、このサイズ以上に小さくすることは難しく、第１ビア部５０及び第２ビア部６０の面積を変えることで集積性を高めることは難しい。

「第６実施形態」
図１２は、第６実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０８を模式的に示した斜視図である。第６実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０８は、第２磁化固定部４０を有さない点が、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については説明を省く。

第１ビア部５０のｙ方向の幅Ｗ_５０及び第２ビア部６０のｙ方向の幅Ｗ_６０は、いずれも磁気記録層２０のｙ方向の幅Ｗ_２０より広い。

ｚ方向からの平面視で磁気記録層２０と第１ビア部５０とが重畳する部分及び磁気記録層２０と第２ビア部６０とが重畳する部分において、磁気記録層２０を流れる書き込み電流の電流密度は急激に低下する。電流密度の低下は、磁壁２１の移動を制限する。磁壁２１は、磁気記録層２０の第１端２０ａ及び第２端２０ｂに至ることができず、磁気記録層２０は単磁区化しない。つまり、第１ビア部５０及び第２ビア部６０の幅Ｗ_５０、Ｗ_６０を磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広くすることで、磁壁２１の移動範囲を制限できる。磁気記録層２０と第１ビア部５０及び第２ビア部６０との間に磁化固定部が不要となり、磁壁移動型磁気記録素子１０８の素子構成が簡素化する。

また第１ビア部５０及び第２ビア部６０の幅Ｗ_５０、Ｗ_６０が、磁気記録層２０の幅Ｗ_２０より広いと、磁気記録層２０のｙ方向の熱分布がより小さくなる。磁気記録層２０のｙ方向の熱分布が小さいと、磁壁２１は、ｙ方向と平行に近い状態で移動する。つまり、磁壁２１の傾きが制限され、磁壁移動型磁気記録素子１０８はデータを安定的に記録できる。

「第７実施形態」
図１３は、第７実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０９を模式的に示した斜視図である。第７実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０９は、第２磁化固定部４０のｘｙ方向の大きさが異なる点が、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。その他の構成は同一であり、同一の符号を付す。同一の構成については説明を省く。

第２磁化固定部４０のｙ方向の幅Ｗ_４０は、磁気記録層２０のｙ方向の幅Ｗ_２０より広い。また第２磁化固定部４０のｙ方向の幅Ｗ_４０は、第２ビア部６０の幅Ｗ_６０以下である。

第２磁化固定部４０のｙ方向の幅Ｗ_４０が、磁気記録層２０のｙ方向の幅Ｗ_２０より広いと、磁気記録層２０のｙ方向の熱分布がより小さくなる。また第２ビア部６０の幅Ｗ_６０が第２磁化固定部４０の幅Ｗ_４０と同等以上であると、第２ビア部６０と第２磁化固定部４０との接触界面においてｙ方向に熱分布が形成されることが避けられる。したがって、磁気記録層２０のｙ方向の熱分布がより小さくなる。

以上、上記実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、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。

例えば、いずれの実施形態においても、磁化転写層３５は除いてもよい。磁化転写層３５が無い場合は、磁壁移動型磁気記録素子のＭＲ比は、非磁性層３０を挟む磁気記録層２０と第１磁化固定層１１の磁化状態の変化により生じる。

また例えば、第１磁化固定部１０は第１磁化固定層１１のみからなってもよい。また第２磁化固定部４０は、第２磁化固定層４１のみからなってもよい。

また上記実施形態では、第１ビア部５０及び第２ビア部６０のｘｙ平面で切断した断面積を一定として図示したが、一定でなくてもよい。第１ビア部５０及び第２ビア部６０は、磁気記録層２０側の第１端から反対側の第２端に向けて、連続的に径が広がる構成でも、狭まる構成でもよい。第１ビア部５０及び第２ビア部６０の径は連続的に変化することが好ましい。第１ビア部５０及び第２ビア部６０の径が大きく変化すると、その境界面で熱分布が生じる。第１ビア部５０及び第２ビア部６０の径は連続的に変化すると熱分布の発生を抑制できる。

「第８実施形態」
（磁気記録アレイ）
図１４は、第８実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の平面図である。図１４に示す磁気記録アレイ２００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１４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、図３、図７〜１３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１、１０３〜１０９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ＷＬ１〜３と、１本のビットラインＢＬ１〜３、１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。

電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気記録層２０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ＲＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３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ＷＬ１〜３、ビットラインＢＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３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 第１磁化固定部
１１ 第１磁化固定層
１２、４２ スペーサ層
１３ 第１カップリング層
２０、７０、８０ 磁気記録層
２１、７１、８１ 磁壁
２２、７２、８２ 第１の磁区
２３、７３、８３ 第２の磁区
２０Ａ、７０Ａ、８０Ａ 第１部分
２０Ｂ、７０Ｂ、８０Ｂ 第２部分
２０ａ、７０Ｂ１、５１Ｂ１ 第１端
２０ｂ 第２端
７０Ｃ 第３部分
３０ 非磁性層
３５ 磁化転写層
４０ 第２磁化固定部
４１ 第２磁化固定層
４３ 第２カップリング層
５０、５１ 第１ビア部
６０ 第２ビア部
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９ 磁壁移動型磁気記録素子
２００ 磁気記録アレイ

Claims (13)

1. 第１の方向に積層された第１磁化固定部と、
   前記第１の方向と交差する第２の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
   前記第１磁化固定部と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、
   前記磁気記録層と電気的に接続された第１ビア部と、を備え、
   前記第１ビア部は、前記第１磁化固定部より前記第２の方向に位置し、
   前記第２の方向と直交する第３の方向において、前記第１ビア部の幅は、前記第１磁化固定部と重畳する位置における前記磁気記録層の第１部分の幅より広い、磁壁移動型磁気記録素子。
2. 前記磁気記録層は、前記第１部分より前記第１ビア部側に第２部分を含み、
   前記磁気記録層を前記第２の方向と垂直な面で切断した断面積は、前記第１部分より前記第２部分が大きい、請求項１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
3. 前記第１の方向からの平面視で、前記第２部分の前記第１磁化固定部に近い側の第１端は、前記第１磁化固定部と前記第１ビア部との間に位置にある、請求項２に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
4. 前記第３の方向において、前記第２部分の幅は、前記第１部分の幅より広い、請求項２又は３に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
5. 前記第２部分の厚さは、前記第１部分の厚さより厚い、請求項２〜４のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
6. 前記第２部分の断面積が、前記第１ビア部に向かって徐々に大きくなる、請求項２〜５のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
7. 前記第１ビア部を前記第１の方向と垂直な面で切断した断面積が連続的に変化する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
8. 前記第１の方向からの平面視で、前記第１ビア部の前記第１磁化固定部に近い側の第１端は直線をなし、
   前記直線は、前記第３の方向に主として延びる、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
9. 前記第１の方向からの平面視で、前記第１ビア部と前記第１磁化固定部を挟む位置で、 前記磁気記録層と電気的に接続された第２ビア部をさらに備え、
   前記第３の方向において、前記第２ビア部の幅は、前記磁気記録層の幅より広い、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
10. 前記第２ビア部と前記磁気記録層との間に第２磁化固定部をさらに備える、請求項９に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
11. 前記第２ビア部と前記第１ビア部との前記第２の方向の距離は、前記第１磁化固定部の前記第２の方向の幅より狭い、請求項９又は１０に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
12. 前記第１磁化固定部は、前記磁気記録層に近い側から磁化固定層、スペーサ層、カップリング層を備え、
    前記磁化固定層と前記カップリング層とは、反強磁性カップリングしている、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
13. 請求項１〜１２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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