JP6172850B2 - 磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および磁気記憶素子の駆動方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および磁気記憶素子の駆動方法に関する。

従来、半導体メモリは各メモリセルに、記憶素子と、選択素子と、情報引き出し配線とを作製していた。それに対して、近年、メモリの大容量化を実現するために、シフトレジスタ型のメモリが提案されている。これは、記憶素子のみを高密度に配置するというコンセプトに基づいており、記憶情報を所定の場所に形成されたセンサおよび配線の位置まで転送する方法である。このため、メモリ容量を飛躍的に増大することができる可能性がある。メモリ向けのシフトレジスタにおいて、記憶情報を転送する際に、転送するための作用を各ビット（各桁）に加えることは望ましくなく、ビット列全体に対して一括して作用を加えることで、所望の桁数のシフト動作を行う必要がある。しかしながら、全桁の情報をそれぞれ正確に桁送りすることは容易ではない。

米国特許第７，６２６，８４４号明細書

本実施形態は、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶素子、磁気記憶装置、磁気メモリ、および磁気記憶素子の駆動方法を提供する。

本実施形態の磁気記憶素子は、第１方向に延在し、前記第１方向に直交する断面積が前記第１方向に沿って変化するとともに前記断面積が極小となる位置を少なくとも２個有する磁性細線と、前記磁性細線を挟んで設けられた第１および第２電極群であって、前記第１電極群は前記第１方向に沿って離間して設けられた複数の第１電極を有し、前記第２電極群は前記第１方向に沿って離間して設けられた複数の第２電極を有し、前記第１電極と前記第２電極が前記磁性細線を挟んで重なる第１領域、前記第１電極および前記第２電極が前記磁性細線を挟んで共に存在しない第２領域のうちの少なくとも１つの領域を前記磁性細線が有し、前記磁性細線を挟んで前記第１電極が存在し前記第２電極が存在しない第３領域、および前記磁性細線を挟んで前記第１電極が存在せず前記第２電極が存在する第４領域のうちの少なくとも１つの領域を前記磁性細線が有するように、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極が配置された第１および第２電極群と、前記複数の第１電極と前記磁性細線との間に設けられた第１絶縁膜と、前記複数の第２電極と前記磁性細線との間に設けられた第２絶縁膜と、を備えている。

図１（ａ）、１（ｂ）は、第１実施形態およびその変形例による磁気記憶素子を示す断面図。 図２は、第１実施形態に係る磁性細線の形状を説明する上面図。 図３（ａ）乃至３（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図４（ａ）乃至４（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図５（ａ）乃至５（ｅ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図６（ａ）乃至６（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図７（ａ）乃至７（ｃ）は、磁性細線の外形線における基準点の取り方を説明する図。 図８は、細線幅変化率を説明する図。 図９（ａ）乃至９（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図１０（ａ）乃至１０（ｃ）は、磁性細線の形状を説明する図。 図１１（ａ）、１１（ｂ）は、より好ましい磁性細線の形状を説明する図。 図１２は、磁性細線の極大点の取り方を説明する図。 図１３は、書き込み部および読み取り部を示す断面図。 図１４（ａ）乃至１４（ｃ）は、磁壁が移動する際の磁壁内の磁化の変化を示す図。 図１５（ａ）乃至１５（ｃ）は、磁壁が移動する際の磁壁内の磁化の変化を示す図。 図１６（ａ）乃至１６（ｃ）は、実施例１による磁気記憶素子を説明する図。 図１７（ａ）、１７（ｂ）は、実施例１による磁気記憶素子の駆動電圧の例を示す波形図。 図１８（ａ）乃至１８（ｃ）は、実施例１による磁気記憶素子の磁壁を一方向にシフト動作させるための説明図。 図１９（ａ）、１９（ｂ）は、実施例１による磁気記憶素子の磁壁を逆方向にシフト動作させるための説明図。 図２０（ａ）乃至２０（ｃ）は、実施例３による磁気記憶素子を説明する図。 図２１（ａ）、２１（ｂ）は、実施例３による磁気記憶素子の磁壁を逆方向にシフト動作させるための説明図。 図２２（ａ）乃至２２（ｃ）は、実施例４による磁気記憶素子を説明する図。 図２３（ａ）、２３（ｂ）は、実施例４による磁気記憶素子の磁壁を逆方向にシフト動作させるための説明図。 図２４（ａ）乃至２４（ｃ）は、実施例５による磁気記憶素子を説明する図。 図２５（ａ）、２５（ｂ）は、実施例５による磁気記憶素子の磁壁を逆方向にシフト動作させるための説明図。 図２６（ａ）、２６（ｂ）は比較例１の磁気記憶素子を示す図。 図２７（ａ）、２７（ｂ）は比較例２の磁気記憶素子を示す図。 図２８（ａ）、２８（ｂ）は比較例３の磁気記憶素子を示す図。 図２９（ａ）乃至２９（ｃ）は第１実施形態の磁気記憶素子の製造方法を示す断面図。 図３０（ａ）乃至３０（ｃ）は、第２実施形態の磁気記憶素子を示す図。 図３１（ａ）、３１（ｂ）は、第３実施形態の磁気記憶素子を示す図。 図３２（ａ）、３２（ｂ）は、第３実施形態の変形例の磁気記憶素子を示す図。 図３３は、第４実施形態による磁気記憶装置を示す回路図。 図３４は、第４実施形態による磁気記憶装置のメモリセルアレイの斜視図。 図３５は、第５実施形態による磁気メモリを示す斜視図。 シミュレーションに用いた磁性細線の形状を示す図。 図３７（ａ）乃至３７（ｄ）は、シミュレーション結果を示す図。 図３８（ａ）乃至３８（ｄ）は、実施例１における電圧波形の具体例を示す波形図。 図３９（ａ）乃至３９（ｃ）は、実施例２による磁気記憶素子を説明する図。 図４０（ａ１）乃至４０（ｂ３）は、磁性細線の外径形状を説明する図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による磁気記憶素子を図１（ａ）に示す。この第１実施形態の磁気記憶素子１は、磁性細線（Magnetic Nanowire）１０と、複数の第１電極２０_ｉ（ｉ＝１，・・・）と、複数の第２電極３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）と、読み出し部４０と、書き込み部５０と、を備えている。

本明細書では、磁性細線１０とは、延在する方向（第１方向）の寸法（長さ）が、第１方向と直交する第２方向の寸法（幅）および第１および第２方向と直交する第３方向の寸法（厚さ）よりも１０倍以上大きい磁性膜を意味する。

図１（ａ）は、第１実施形態の磁気記憶素子１の第１方向に沿った断面図である。磁性細線１０を第１方向に垂直な面で切断した断面形状は、例えば四角形である。また、その断面の寸法（幅および厚さ）は断面内において、磁化方向に分布を生じさせないために、２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。複数の第１電極２０_ｉ（ｉ＝１，・・・）および複数の第２電極３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）はそれぞれ、磁性細線１０の第１方向に沿って設けられる。また、複数の第１電極２０_ｉ（ｉ＝１，・・・）と、複数の第２電極３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）は、第３方向において磁性細線１０を挟むように設けられる。複数の第１電極２０_ｉ（ｉ＝１，・・・）のそれぞれと、磁性細線１０との間に絶縁膜２２が設けられ、複数の第２電極３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）のそれぞれと、磁性細線１０との間に絶縁膜３２が設けられる。なお、図１（ｂ）に示す第１実施形態の一変形例による磁気記憶素子のように、絶縁膜２２は、複数の第１電極２０_ｉ（ｉ＝１，・・・）が設けられている側の隣接する第１電極２０_ｉ、２０_ｉ＋１間の磁性細線１０に設けられていてもよい。また、同様に、絶縁膜３２は、複数の第２電極３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）が設けられている側の隣接する第１電極３０_ｉ、３０_ｉ＋１間の磁性細線１０に設けられていてもよい。

磁性細線１０は接地されているか、あるいは図示しない電極に接続されている。磁性細線１０を第３方向に垂直な面で切断した断面の一部分を図２に示す。図２からわかるように、磁性細線１０の幅、すなわち第２方向の長さは第１方向の位置に対して変化する。

次に、磁性細線１０のより詳細な形状について図３（ａ）乃至図４（ｃ）を参照して説明する。

第３方向に直交する面で磁性細線１０を切断したときの、第１および第２電極が設けられている部分の断面、すなわち幅方向の断面を図３（ａ）に示す。図３（ａ）からわかるように、磁性細線１０の幅を示す線、すなわち外形線１２ａ、１２ｂは第１方向（延在する方向）に対して変化する。

これらの外形線１２ａ、１２ｂの形状について詳細に説明するために、磁性細線１０内に位置する、第１方向に平行な直線１４を仮想的に設定する。直線１４に対して一方の側（図面上では上側）に位置する外形線を外形線１２ａとし、他方の側（図面上では下側）に位置する外形線を外形線１２ｂとする。

直線１４から外形線１２ａまでの距離に関する、外形線１２ａ上に位置する互いに隣接する極小点を極小点Ａ、Ｃとする。そして、これらの極小点Ａ、Ｃ間における外形線１２ａ上の点であって、直線１４までの距離が最大となる点を極大点Ｂとして選ぶ。すると、図３（ｂ）または図３（ｃ）に示すように、角ＢＡＣまたは角ＢＣＡのうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ａは有している。点Ａ、Ｂ、Ｃは、外形性線１２ａの形状を決定するための基準点となる。

また、図４（ａ）に示すように、直線１４から外形線１２ｂまでの距離に関する、外形線１２ｂ上に位置する互いに隣接する極小点を極小点Ａ’、Ｃ’とする。そして、これらの極小点Ａ’、Ｃ’間における外形線１２ｂ上の点であって、直線１４までの距離が最大となる点を極大点Ｂ’として選ぶ。すると、図４（ｂ）または図４（ｃ）に示すように、角Ｂ’Ａ’Ｃ’または角Ｂ’Ｃ’Ａ’のうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ｂは有している。点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’は、外形線１２ｂの形状を決定するための基準点となる。

角ＢＡＣ、 角ＢＣＡ、角Ｂ’Ａ’Ｃ’、および角Ｂ’Ｃ’Ａ’に下限が存在する理由について、以下に説明する。後述する磁壁の移動方法により第１電極および第２電極に電圧信号を与え、磁壁位置を動かすことができるが、この電圧信号を切った直後の移動位置にはバラつきが生じうる。しかし、角ＢＡＣ、 角ＢＣＡ、角Ｂ’Ａ’Ｃ’、 角Ｂ’Ｃ’Ａ’が４度以上であれば、磁壁の位置エネルギーに十分な空間勾配が生じ、例えば細線幅の極小点Ａに磁壁位置が自動修正される。

これに関してシミュレーションを行った結果を図３６乃至図３７（ｄ）を参照して説明する。このシミュレーションは図３６に示す細線幅に勾配を有する磁性細線１０において、勾配の途中に配置された磁壁が外部からの作用の及ばない状況下でどのような位置変化を示すのかをマイクロマグネティクスにより求めたものである。この結果、図３７（ａ）乃至３７（ｄ）に示すように、勾配角θが４度以上ならば磁壁の位置が初期条件に依らず一方向に移動することがわかる。これが角度の下限を４度とした理由である。

一方、角ＢＡＣ、 角ＢＣＡ、角Ｂ’Ａ’Ｃ’、および角Ｂ’Ｃ’Ａ’には上限も存在する。図４０（ａ１）乃至４０（ｂ３）には角度が異なる３種類の磁性細線が示されている。図４０（ａ１）、４０（ａ２）（ａ３）は角度が３０度以下の場合、図４０（ｂ１）、４０（ｂ２）、４０（ｂ３）は角度が３０度を超える場合である。太線は磁壁の位置、破線の曲線は、磁壁の長さの比較をしやすくするために、図４０（ａ１）あるいは図４０（ｂ１）の太線部を半径とする円弧を示している。後述する方法により磁壁を移動させた場合に、ある時刻において、角度が３０度以下の細線中で、磁壁の位置が図４０（ａ１）に太線で示す位置になったとする。この後右方向に磁壁が移動するような作用を加えた場合の磁壁の位置は、図４０（ａ２）あるいは図４０（ａ３）のようになる可能性があるが、図４０（ａ２）は磁壁の一端が破線で示された円弧の外部にあり、したがって磁壁面の面積が増えることになるのでこのような位置をとる可能性は低い。つまり、図４０（ａ３）のようになる。このことから、図４０（ａ１）に示す細線において、磁壁が第１方向に垂直な方向から傾いたとしても移動中に角度が修正される可能性が高いことを示唆している。つまり、磁性細線の外形線の角度が３０度以下であれば、磁壁はそもそも細線内で角度変化が生じづらく安定な移動が可能であり望ましい。

一方、磁壁を移動させた場合に、ある時刻において、角度が３０度を超える細線中で、磁壁の位置が図４０（ｂ１）に太線で示す位置になったとする。この後右方向に磁壁が移動するような作用を加えた場合の磁壁の位置は、図４０（ｂ２）あるいは図４０（ｂ３）のようになる可能性があるが、図４０（ｂ３）は磁壁面の面積が増えることになるのでこのような位置をとる可能性は低い。つまり、図４０（ｂ２）のようになる。このことから、図４０（ｂ１）に示す細線において、磁壁が第１方向に垂直な方向から傾いたとしても移動中に角度が修正されず、さらに傾きが大きくなる可能性が高いことを示唆している。つまり、磁性細線の外形線の角度が３０度を越える場合、磁壁は細線内で角度変化が生じやすく移動が不安定になりやすい。

磁性細線１０は、磁気記憶素子１に記憶されたビットデータに対応して、複数の磁区を有している。磁性細線１０の磁化容易軸は、第１方向に垂直な方向、例えば第２方向あるいは第３方向である。それぞれの磁区において、磁化が安定する方向が磁化容易軸の正方向または負方向のいずれかである。隣接する２つの磁区の境界近傍において、磁化方向は、第１方向に沿って連続的に変化する。この磁化方向が変化する領域は磁壁と呼ばれる。

磁壁は磁性体の異方性エネルギーＫｕおよび交換スティフネスＡで決まる有限の長さ（第１方向における長さ）Ｌ_ｄｗを有する。磁壁の長さ（磁壁幅ともいう）Ｌ_ｄｗは、理論的にＬ_ｄｗ＝２（Ａ／Ｋｕ）^１／２で求められる。例えば、Ａ＝１μｅｒｇ／ｃｍ、Ｋｕ＝１０^７ｅｒｇ／ｃｍ^３とすると、Ｌ_ｄｗ＝６ｎｍである。

第１実施形態の磁気記憶素子１においては、ビットデータは第１方向に並んだ磁性細線内の磁化方向として記憶される。典型的には、１ビットが占める第１方向の長さ（以下、ビット長という）Ｌ_ｂは、６ｎｍ〜２００ｎｍである。このビット長Ｌ_ｂは磁壁の長さＬ_ｄｗの２倍以上であることが好ましい。更に、望ましくは、１５ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることにより、隣接する磁壁間の相互作用によるそれらの磁壁間における磁区の熱的な不安定化を抑制することができる。また、磁壁の位置が磁性細線１０の幅が極小となる位置に存在するようにとると、その極小となる位置に磁壁がピン止めされ、電流非通電時における意図せぬ磁壁の移動を防止することができる。例えば、磁性細線１０の幅が極小となる位置ｘ_１からこの極小となる位置ｘ_１に隣接する極小となる位置ｘ_２までの領域に１ビットのデータを記憶することができる。この場合、ｘ_１からｘ_２までの距離をＬ_ｐと書く。

１ビット長の領域内に磁性細線１０の幅の極小点が複数含まれていてもよい。

図１乃至図４（ａ）および図４（ａ）以降の図面では、磁性細線の幅の変化が数個分しか表現されていない。しかし、実際には例えば１００〜数１０００ビット程度のデータが記憶できるよう、更に長い領域に亘って磁性細線１０の幅が変化する。磁性細線１０の全長を長くするほど、多数のビットデータを記憶することができる。しかし、磁性細線１０の全長が極端に長くなると、磁性細線１０全体の電気抵抗が高くなるため、磁性細線１０の全長は、典型的には１００ｎｍから１０μｍの範囲とすることが好ましい。

図５（ａ）乃至５（ｃ）は「０１１０１１１０」という８ビットのデータの保存例である。図５（ａ）に示すように、第３方向に磁化容易軸を持つ磁性細線１０内の磁区の磁化方向として記憶することが可能である。また、図５（ｂ）に示すように、磁化容易軸が第２方向となるようにしてもよい。図５（ａ）および図５（ｂ）に示す例ではＬ_ｂの最小値はＬ_ｐに等しいが図５（ｃ）に示すように、Ｌ_ｂがＬ_ｐより大きくてもよい。この場合、１ビットの磁区内（境界は含まない）に磁性細線１０の幅が極小となる位置が含まれている。

また、あるビットのビット長が他のビットのビット長と同じである必要はない。例えば、図５（ｄ）に示す例では、Ｌ_ｂ＝２Ｌ_ｐとなるビットと、Ｌ_ｂ＝３Ｌ_ｐとなるビットが混在している。図５（ｄ）に示す例のように、Ｌ_ｂ≧２Ｌ_ｐとなるようにデータを記憶すると、隣接する２つの磁壁間の距離が近くなるのを防止しながら、かつ全体の長さを短くすることができるので、高密度化し易く望ましい。また、図５（ｅ）に示すように、磁性細線１０の少なくとも一部において、磁化容易軸に対して特定の磁化方向を持つ磁区として保存されるビットについてのみＬ_ｂ≧２Ｌ_ｐとなる場合も、高密度化し易く望ましい。

また、磁性細線１０の形状は、図６（ａ）乃至６（ｃ）に示すように、磁性細線１０の幅に関する極大点または／および極小点の近傍において、細線幅がほぼ一定の（平坦な）領域が存在していてもよい。以下では、極大点または極小点の近傍において細線幅がほぼ一定の領域をそれぞれ極大領域または極小領域と呼ぶ。

このような、極大領域または極小領域が存在する場合の外形線上の点Ａ、Ｂ、Ｃの取り方について図７（ａ）乃至７（ｃ）を参照して説明する。図７（ａ）に示すように、２つの極小領域１８ａ１、１８ａ２とそれらに挟まれた極大領域１９ａを含む範囲において、外形線から直線１４までの距離の極小値、極大値、極小値をそれぞれｙ_ｍｉｎ１、ｙ_ｍａｘ、ｙ_ｍｉｎ２とする。このとき、直線１４までの距離が０．９ｙ_ｍｉｎ１＋０．１ｙ_ｍａｘとなる直線１５ａ１と外形線１２ａとの交点のうち、極大領域１９ａに最も近い点をＡと設定する。直線１４までの距離が０．９ｙ_ｍｉｎ２＋０．１ｙ_ｍａｘとなる直線１５ａ２と外形線１２ａとの交点のうち、極大領域１９ａに最も近い点をＣと設定する。また、直線１４までの距離が０．１ｙ_ｍｉｎ１＋０．９ｙ_ｍａｘとなる直線１６ａ１と外形線１２ａとの交点のうち、点Ａに最も近い点をＢ_１と設定する。また、直線１４までの距離が０．１ｙ_ｍｉｎ２＋０．９ｙ_ｍａｘとなる直線１６ａ２と外形線１２ａとの交点のうち、点Ｃに最も近い点をＢ_２と設定する。この場合、角Ｂ_１ＡＣまたは角Ｂ_２ＣＡのうち、少なくとも一方が４度以上30度以下の範囲にある形状を、磁性細線１０が有している。

図７（ｂ）に示すように、外形線１２ｂに関する点Ａ’、Ｂ_１’、Ｂ_２’、Ｃ’についても、同様に定義する。また、図７（ｃ）に示すように、点Ａと点Ａ’、点Ｂ_１と点Ｂ_１’、点Ｂ_２と点Ｂ_２’、点Ｃと点Ｃ’はそれぞれ、第１方向において、同じ位置に存在していなくともよい。また、図７（ｂ）、７（ｃ）に示すように、外形線１２ａにおける極小点Ａと極大点Ｂ_１との間、極小点Ｃと極大点Ｂ_２との間には更に極小点または極大点が存在してもよい。このことは、外形線１２ｂに対しても同様である。

上記のように、磁性細線１０の外形線は極小領域と極大領域の間において端点を結ぶことにより得られる平均値として４度以上３０度以下の角度を持つが、局所的にこの範囲を外れていてもよい。具体的には、磁壁の長さＬ_ｄｗは典型的には６ｎｍであるので、極小領域と極大領域の間の第１方向に沿った長さが６ｎｍの領域内において磁性細線１０の細線幅が変化したとしても、意図せぬ磁壁のピン止めサイトにはならない。このような形状変化があることで、むしろ特定の位置に生じる意図せぬ磁壁のピン止め要因を抑制することができるため、磁壁の一斉移動が容易になり好ましい。意図せぬ磁壁のピン止め要因として、例えば磁性細線１０中で磁性粒界において異方性エネルギー等の磁気的な物性値が非連続に変化することなどが挙げられる。磁性細線１０における極小領域と極大領域の間に存在する、第１方向に沿った長さが６ｎｍのある領域内において、細線幅変化率が１０％以上になる部分があると、異方性エネルギーが１０％変化することによる磁壁の意図せぬピン止めを回避することが可能となる。ここで、領域Ｄにおける細線幅変化率とは、領域Ｄの一端での細線幅の値Ｗ_１と他端での値Ｗ_２の差｜Ｗ_１−Ｗ_２｜の平均値（Ｗ_１＋Ｗ_２）／２に対する割合２|Ｗ_１−Ｗ_２|／（Ｗ_１＋Ｗ_２）のことをいう。例えば、図８に示す例では長さ６ｎｍの領域Ｄの一端での細線幅が３２．８ｎｍ，他端での細線幅が３７．９ｎｍであり、細線幅変化率は１４％となる。ただし、領域Ｄ内の細線幅の変化量｜Ｗ_１−Ｗ_２｜が極端に大きいとピン止め要因になるため、上記変化量｜Ｗ_１−Ｗ_２｜は１０ｎｍを越えないことが望ましい。

図３（ａ）に示す外形線１２ａ上の基準点Ａ、Ｂ、Ｃの代わりに図９（ａ）に示すように、基準点Ｂ、Ｃ、Ｄを取ってもよい。この例においては、直線１４から外形線１２ａまでの距離に関する、外形線１２ａ上に位置する互いに隣接する極大点を極大点Ｂ、Ｄとする。そして、これらの極大点Ｂ、Ｄ間における外形線１２ａ上の点であって、直線１４までの距離が最小となる点を極小点Ｃとして選ぶ。すると、図９（ｂ）または図９（ｃ）に示すように、角ＣＢＤまたは角ＣＤＢのうち一方の角度θが４度以上である形状を外形線１２ａは有している。点Ｂ、Ｃ、Ｄは、外形線１２ａの形状を決定するための基準点となる。

また、図４（ａ）に示す外形線１２ｂ上の基準点Ａ’、Ｂ’、Ｃ’の代わりに図１０（ａ）に示すように、基準点Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’を取ってもよい。この例においては、直線１４から外形線１２ｂまでの距離に関する、外形線１２ｂ上に位置する互いに隣接する極大点を極大点Ｂ’、Ｄ’とする。そして、これらの極大点Ｂ’、Ｄ’間における外形線１２ｂ上の点であって、直線１４までの距離が最小となる点を極小点Ｃ’として選ぶ。すると、図１０（ｂ）または図１０（ｃ）に示すように、角Ｃ’Ｂ’Ｄ’または角Ｃ’Ｄ’Ｂ’のうち一方の角度θが４度以上３０度以下である形状を外形線１２ｂは有している。点、Ｂ’、Ｃ’、Ｄ’は、外形線１２ｂの形状を決定するための基準点となる。

これまで述べてきたように、磁性細線１０の外形線１２ａ、１２ｂは極小点とこれとは異なる極小点とを結ぶ直線と、極小点と極大点とを結ぶ直線との成す角度が４度以上３０度以下の角度を有している。さらに、外形線１２ａと外形線１２ｂの少なくとも一方は、第１極大点と、この第１極大点から第２の方向に対応して存在する第２極大点とを結ぶ線分を直径とする円の周上もしくは円周の外側に位置する点を含むことが望ましい。図１１（ａ）においては、２つの外形線１２ａ、１２ｂにおける極大点と極小点とがなす角度は４度以上３０度以下の角度にある。さらに、第１極小点Ａと第１極大点Ｂ、第２極小点Ａ’と第２極大点Ｂ’、とに囲まれた領域１９_ｎにおいて、第１外形線と第２外形線は、第１極大点Ｂと第２極大点Ｂ’とを結ぶ線分を直径Ｄ_ｎとする円３０_ｎの円周（点線で示す）もしくは円周より外側に位置する点を含む。外形線１２ａ、１２ｂの一部が円３０_ｎより内側にあってもよい。しかし、その場合には、図１１（ａ）に示すように、外形線１２ａないし外形線１２ｂ上の点の、円３０_ｎの中心に対して対称となる外形線１２ａ、１２ｂ上の点は、円３０_ｎの外側にあることが望ましい。このようにすることで、磁壁を第一の方向に対して垂直に維持したまま動き易くすることができ、間違いのない桁送りに効果がある。図１１（ｂ）には、５つの極大点の対をもつ磁性細線を記載している。ここでは、いずれの外形線１２ａ、１２ｂも各極大点から構成される円３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）の外周上もしくはその外側に位置しており、より桁送りにおいて望ましい。また、上記円３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）の直径Ｄ_ｎは領域ごとに異なっていても構わない。

磁性細線の細線幅がほぼ一定の（平坦な）極大領域１９ａが存在する場合、第１極大点Ｂと第２極大点Ｂ’の取り方について図１２を参照して説明する。まず、図７（ａ）乃至７（ｃ）と同様の方法にて点Ｂ_１および点Ｂ_２を取る。次に点Ｂ_１と点Ｂ_２の中点を通り、直線１４に垂直方向の直線１７ａ１を引き、直線１７ａ１と外形線の交点を第１極大点Ｂとする。第２極大点Ｂ’の取り方も同様である。すなわち、点Ｂ_１’と点Ｂ_２’の中点を通り、直線１４に垂直方向の直線１７ｂ１を引き、直線１７ｂ１と外形線の交点を第１極大点Ｂ’とする。

（書き込みおよび読み出し）
書き込み部４２は、非磁性層４２１、強磁性層４２２、電極４２３を有し、磁性細線１０に接続される。電極４２３には図示しない信号源が接続される。書き込み時には、信号源から電極４２３に電位を加える。すると、電極４２３から電子が磁性細線１０に向かって流れる際に、強磁性層４２２の磁化の向きにスピン偏極した電子流が流れる。このスピン偏極した電子流により、磁性細線１０の磁化方向が変更される。

読み出し部４４は、非磁性層４４１、強磁性層４４２、電極４４３を有し、磁性細線１０に接続される。磁性細線１０の読み出し部４４が接する磁区の磁化方向が強磁性層４４２の磁化方向と同一方向（平行）の場合には、電極４４３と第２電極４６との間が高抵抗状態となり、磁性細線１０の読み出し部４４が接する磁区の磁化方向が強磁性層４４２の磁化方向と反対方向（反平行）の場合には、電極４４３と第２電極１２との間が低抵抗状態となる。そこで、この抵抗変化を読み取ることで、記録された情報を読み出すことができる。

本磁気記憶素子１において、後述する磁壁移動方法により磁性細線１０内に保存されたビットデータの順序を変えることなく移動することが可能である。したがって、書き込み、読み出しを行う前に、予め必要な距離だけ磁壁位置を移動させることにより、任意のビットデータ位置について書き込みおよび読み出しを行うことが可能である。

このような構造を有する磁気記憶素子１の磁性細線１０内に含まれる複数の磁壁を第１方向に意図した距離だけ移動させる磁壁移動方法について説明する。

この磁壁移動方法は、複数の第１電極２０_ｉ（ｉ＝１，・・・）に共通の電圧Ｖ_１を与える手順１と、複数の第２電極３０_ｉ（ｉ＝１，・・・）に共通の電圧Ｖ_２を与える手順２とを含む。この方法により磁性細線１０内で起こる磁化分布の変化を図１４（ａ）乃至１４（ｃ）に模式的に示す。

本磁壁移動方法を実施する前の電圧非印加時（ｔ＝ｔ_１）における磁性細線１０内の一部領域の磁化方向分布を図１４（ａ）に示す。この例では、磁化容易軸は紙面に垂直方向であり、各磁区内での磁化方向は紙面垂直に奥から手前に向かう方向か、あるいは、手前から奥に向かう方向のいずれかである。この時点で磁壁は細線幅が極小になる位置の近傍に存在する。これは、垂直磁化材料からなる磁性細線１０において、磁壁のエネルギーは主に磁気異方性に起因するエネルギーが占めているため、磁壁の体積が小さい方がエネルギー安定となるためである。磁壁中心における磁化方向は磁化容易軸方向に垂直であり、この例では紙面内のいずれかの方向である。図１４（ａ）に示した例では、第１方向に垂直な方向を向いたブロッホ型が安定となっている。

図１４（ｂ）は磁壁が移動中のある時刻（ｔ＝ｔ_２）における磁化分布を示す。この時点での磁壁中心における磁化方向はランダムな方向を向く。図１４（ｃ）は本磁壁移動方法を実施した後（時刻ｔ＝ｔ_３）の磁化分布を示す。再び、磁壁は細線幅が極小になる位置の近傍に存在する。また、磁壁中心における磁化方向はブロッホ型に戻る。

（磁壁の安定状態がネール型の例）
磁性細線中の磁壁において、その中心位置での磁化方向が第１方向に沿う、いわゆるネール型磁壁になる例を図１５（ａ）乃至１５（ｃ）を参照して説明する。この場合もブロッホ型磁壁の場合と同様に、磁壁移動が開始されると磁壁中心での磁化方向は回転し、電流を切ると再びネール型磁壁となる。図１５（ａ）は本磁壁移動方法を実施する前の電圧非印加時（ｔ＝ｔ_１）における磁性細線１０内の一部領域の磁化方向分布を示し、図１５（ｂ）は磁壁が移動中のある時刻（ｔ＝ｔ_２）における磁化分布を示し、図１５（ｃ）は本磁壁移動方法を実施した後（時刻ｔ＝ｔ_３）の磁化分布を示す。

なお、磁壁の磁化の安定状態がネール磁壁状態となるか、ブロッホ磁壁状態となるかは、磁性細線１０の断面形状に依存する。

（磁壁の移動原理）
次に、磁壁が移動する原理について説明する。磁性細線１０を構成する磁性材料は、磁気異方性エネルギーが十分高く、磁性細線１０内の磁化方向が第１方向に垂直方向を向く状態が安定である。このとき、磁気的なエネルギーとしては、磁気異方性エネルギーが支配的な寄与をするため、磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷを磁壁の中心位置ｘ_０の関数として式（１）のように表すことが可能である。

ここで、Ｋ_ｕは単位体積あたりの磁気異方性エネルギー、λは磁壁幅Ｌ_ｄｗの２分の１の値、 ｘ_０は磁壁中心の位置（以下、磁壁位置ともいう）、Ωは磁性細線１０の占める体積領域を表す。つまり、磁壁位置ｘ_０で磁性細線１０の断面積がＳ（ｘ_０）であり、磁気異方性エネルギーがＫ_ｕ（ｘ_０）ならば、磁壁の位置エネルギーは、
Ｅ_ＤＷ（ｘ_０）＝２Ｋ_ｕ（ｘ_０）λＳ（ｘ_０） （２）
となる。電圧の非印加時には、磁性細線１０中の磁気異方性エネルギーＫ_ｕはほぼ一定とみなせるため、磁壁は断面積が小さい位置に留まる。

第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧Ｖ_１を与える（手順１）と、絶縁膜２２を介して第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に接続された磁性細線１０内の界面近傍領域に電界が生じる。ここで、電圧Ｖ_１は磁性細線１０あるいは磁性細線１０に接続された第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の電位を基準としている。以下では、この領域を第１電界発生領域と称する。第１電界発生領域において、上記電界によって磁性細線１０内の電子構造が変調される結果、磁気異方性エネルギーを始めとする磁気的物性値が変化する。第１電界発生領域は、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の近傍に限られるため、第１方向に沿った磁壁の位置エネルギー分布も変化する。したがって、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を与えると、磁壁が、磁気エネルギーが極小となる位置、すなわちこの場合は第１電極の中心位置ｘ_１まで移動する。

ここで、このような磁壁移動に適した第１電極の第１方向のサイズ（以下、第１電極のサイズ）には上限が存在することを説明する。磁壁近傍での細線断面積の変化が十分小さいとすれば、式（１）より磁壁の位置エネルギーの９０％は磁壁中心を中心とする長さ３λの領域に集中している。したがって第１電極のサイズが３λを超えると、第１電極に隣接した領域内で磁壁が移動しても得られるエネルギーは小さくなるため、磁壁移動を安定的に行うことは困難になる。したがって、第１電極のサイズは３λ以下とすることが望ましい。λは磁壁幅Ｌ_ｄｗの２分の１であるから第１電極のサイズは１．５Ｌ_ｄｗ以下とすることが望ましい。磁壁幅は典型的には６ｎｍであるが、材料によって異なる。たとえば飽和磁化が小さく、磁気異方性の値が大きくなくても垂直磁気異方性を有する材料では、たとえば磁気異方性を２ｘ１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３とすると、磁壁幅は、１４ｎｍである。したがって第１電極のサイズはその１．５倍以下すなわち２１ｎｍ以下とすることが望ましい。

また、Ｓ（ｘ_１）とＳ（ｘ_０）の比が大きい場合、磁壁を移動させるには非常に大きな磁気異方性エネルギーの変化が必要になり好ましくない。断面積Ｓあるいは細線幅の極大値と極小値の比が２倍を超えると、磁壁移動させるためには、例えば、局所的に異方性を完全になくす必要が生じて好ましくない。したがって断面積Ｓあるいは細線幅の極大値と極小値の比は２倍以下であることが好ましい。

第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧Ｖ_２を与える（手順２）と、手順１と同様に、絶縁膜３２を介して第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に接続された磁性細線１０内の界面近傍領域に電界が生じる。以下では、この領域を第２電界発生領域と称する。第２電界発生領域は、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の近傍に限られるため、第１方向に沿った磁壁の位置エネルギー分布も変化する。したがって、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を与えると、磁気エネルギーが極小となる磁壁の位置まで磁壁が移動する。なお、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の第1方向のサイズは第１電極の第1方向のサイズと同様に磁壁幅Ｌ_ｄｗの１．５倍以下であることが望ましい。具体的には２１ｎｍ以下とすることが望ましい。 なお、手順１と手順２は時間的に重複していても、していなくてもかまわない。手順１と手順２をそれぞれ少なくとも１回含む一連の手順を実行した後、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加した電圧を０Ｖにすると、断面積が極小となる最寄りの位置に磁壁が移動する。

（実施例１）
第１実施形態の実施例１による磁気記憶素子について図１６（ａ）乃至１６（ｃ）を参照して説明する。図１６（ａ）は実施例１の第１および第２電極の配置を示す平面図、図１６（ｂ）は第１および第２電極に印加する電圧のタイミングチャート、図１６（ｃ）は磁性細線１０の位置ｘ_０における磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの分布を示す図である。

この実施例１の磁気記憶素子においては、磁性細線１０は、図１６（ａ）に示すように、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が存在しない領域Ｉ、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）のみ存在する領域ＩＩ、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の両方が存在する領域ＩＩＩ、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）のみ存在する領域ＩＶに分かれ、磁性細線の少なくとも一部において、第１方向に沿って領域Ｉ、領域ＩＩ、領域ＩＩＩ、領域ＩＶがこの順に周期的に並んでいる。このうち、領域ＩＩ、ＩＩＩの表面近傍領域が第１電界発生領域に、領域ＩＩＩ、ＩＶの表面近傍領域が第２電界発生領域にそれぞれ対応する。また、この実施例１において、磁性細線１０の細線断面積が変化する周期と第１および第２電極の配置の周期が対応しているため、１周期に相当する領域での磁壁の挙動に関する説明が他の領域での磁壁の挙動と共通する。

まず、電圧の非印加時において（図１６（ｂ）、１６（ｃ）に示す期間Ｔ_１）、磁性細線１０の断面積が小さい位置（例えば図１６（ａ）の点Ａ）において磁気エネルギーが極小となるので、磁壁はそこに留まっている（第１ステップ）。

この状態で、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加すると（図１６（ｂ）、１６（ｃ）に示す期間Ｔ_２）、第１電界発生領域の磁気異方性エネルギーが低下することによりエネルギー極小位置は図１６（ａ）に示す点Ｂに変化し、それに伴って磁壁は点Ｂまで移動する（第２ステップ）。ここで、タイミングチャート図中では正符号の電圧を印加しているが、一般に印加される電圧の符号と電界発生領域におけるエネルギーの変化の符号の関係は材料に依存するため、負符号の電圧を印加することもありうる。

その後、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加すると（図１６（ｂ）、１６（ｃ）に示す期間Ｔ_３）、第２電界発生領域の磁気異方性エネルギーが低下することによりエネルギーの極小位置は点Ｃに変化し、それに伴って磁壁は点Ｃまで移動する（第３ステップ）。 最後に第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加した電圧を切ると（図１６（ｂ）、１６（ｃ）に示す期間Ｔ_４）、磁壁エネルギーの空間分布は元の状態に戻り、磁壁はエネルギーが極小となる最寄りの位置（図１６（ａ）の点Ｄ）まで移動する（第４ステップ）。

この一連のステップを繰り返すことにより、磁壁を所望の距離移動させることが可能となる。

また、この方法の各ステップにおいて、磁壁をエネルギーが極小となる位置に移動させることが必要になるため、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）または第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の電圧が一定以上の状態で十分な時間待機させる必要がある。したがって待機時間は、エネルギー緩和に要する時間より長いことが望ましい。エネルギー緩和に要する時間は、ダンピング定数αと磁気回転比γと異方性磁界Ｈｋを用いて、近似的に１／（αγＨｋ）と書けるから、例えば、典型的な値としてダンピング定数を０．０１、磁気回転比を１７．６ＭＨｚ／Ｏｅ、異方性磁界Ｈｋ＝１００００Ｏｅを用いることにより、待機時間は０．５ｎｓ以上であることが望ましい。

なお、図１６（ｂ）に示すタイミングチャートにおいて、第２ステップと第３ステップとが切り替わる時刻は多少ずれても構わない。例えば、図１７（ａ）に示すように、第２ステップと第３ステップが時間的に離れて切り替わってもよい。また、図１７（ｂ）に示すように、第２ステップと第３ステップが時間的に重なる時間帯が存在してもよい。この場合は、図１８（ａ）に示すように、第１電極に電圧が印加される時間Ｔ_２と、図１８（ｂ）に示すように、第１電極への電圧の印加と第２電極への電圧の印加が重なる時間Ｔ_２’と、図１８（ｃ）に示すように、第２電極に電圧が印加される時間Ｔ_３と、に分かれる。このように、第２ステップと第３ステップが時間的に重なる時間帯Ｔ_２’においては、第１電界発生領域における磁気異方性エネルギーの変化と、第２電界発生領域における磁気異方性エネルギーの変化が同時に起こる。このため、第２ステップや第３ステップと異なるエネルギー分布が生成される。このとき、エネルギーの極小点は点Ｂと点Ｃの間に位置する。したがって、第２ステップと第３ステップとが重なる時間帯が存在すると、エネルギーの極小位置の時間変化が緩やかになり、その結果、磁壁が円滑に移動するので好ましい。また、本実施例のように、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が磁性細線１０を挟んで重なる領域ＩＩＩ内において磁性細線１０の細線幅が極大となっていると、第２ステップと第３ステップが重なる時間帯において、第１電極と第２電極の両方を使って磁性細線の断面積が極大となる位置すなわち磁壁の位置エネルギーが極大となる位置のエネルギーを変化させることになるため、それぞれの電極に印加する電圧を低減させることができ、好ましい。

なお、磁壁を逆方向に移動させるには、第２ステップと第３ステップの順序を入れ替えればよい。例えば、図１９（ａ）に示すように、第１および第２電極にそれぞれ電圧Ｖ_１、Ｖ_２を印加しない時間Ｔ_１、第２電極に電圧Ｖ_２を印加する時間Ｔ_２、第１電極に電圧Ｖ_１を印加する時間Ｔ_３、第１および第２電極にそれぞれ電圧Ｖ_１、Ｖ_２を印加しない時間Ｔ_４となる。これにより、磁壁は図１９（ｂ）に示すように、点Ａ、点Ｅ、点Ｆ、点Ｇに位置に順次移動する。

（電圧パルスの波形の具体例）
電圧パルスの印加の方法は、上述の例のように、エネルギー極小位置が時間的に変化することにより磁壁の位置を誘導することができれば良いため、さまざまな方法が可能である。たとえば、図１６（ｂ）において第１電極の電圧を切った後の時刻（期間Ｔ_３ないし期間Ｔ_４）において、第１電極に、期間Ｔ_２に引加する電圧と逆符号の電圧を印加するステップ（第５ステップ）をさらに含んでもよい。この場合、磁壁が点Ｃに向かう際に誤って点Ｂに戻ってしまう可能性を減らすことができるため、磁壁を安定的に所望の方向に移動させることが可能になる。図３８（ａ）にこのような効果が得られる電圧パルスのタイミングチャートの例を示す。また、図３８（ｂ）に、さらに、第１電極に逆符号の電圧を与えた後、第２電極にも逆符号の電圧を与えるステップ（第６ステップ）をさらに含んだ例を示す。このようなステップを含むことで、磁壁が点Ｄに向かう際に誤って点Ｃに戻ってしまう可能性を減らすことができるため、磁壁を安定的に所望の方向に移動させることが可能になる。なお、図３８（ａ）、３８（ｂ）に示す例は、正符号の電圧を印加した場合に磁性細線１０の磁気異方性エネルギーが低下する場合に対応する。負符号の電圧を印加した場合に磁性細線１０の磁気異方性エネルギーが低下する場合は図３８（ａ）、３８（ｂ）において、印加する電圧の符号をすべての時刻で逆転すればよい。

また、さらに、この一連のステップを複数回繰り返すことで、細線幅の複数周期の距離を磁壁移動させることが可能になる。図３８（ｃ）、３８（ｄ）に、一連のステップを２回繰り返すことで２周期分の距離を移動させることができる電圧パルスの印加方法の例をタイミングチャートとして示す。なお、図３８（ｃ）、３８（ｄ）に示す例は、負符号の電圧を印加した場合に磁気異方性エネルギーが低下する場合に対応する。正符号の電圧を印加した場合に磁性細線１０の磁気異方性エネルギーが低下する場合は図３８（ｃ）、３８（ｄ）において、印加する電圧の符号をすべての時刻で逆転すればよい。

これらの例からわかるように、第１電極に第１の符号の電圧を印加するステップ（第２ステップ）の後、第２電極に第１の符号の電圧を印加するステップ（第３ステップ）を実施することにより、第１電極の重心位置から第２電極の重心位置に向かう方向に磁壁を移動させることが可能である。この方法を用いると、磁性細線１０の断面積極小位置を両端とする細線断面積変化の一周期において、断面積極小領域は領域Ｉに含まれ、かつ、領域ＩＩ，領域ＩＩＩ，領域ＩＶをそれぞれ含む場合に、安定的に意図通りの方向に磁壁移動を行うことができる。また、さらに、第３ステップの後、第１電極に第１の符号と逆の第２の符号の電圧を印加するステップ（第５ステップ）と第２電極に第１の符号と逆の第２の符号の電圧を印加するステップ（第６ステップ）の少なくとも一方を含んでもよい。第５ステップと第６ステップをともに含む場合には第５ステップの後に第６ステップを実行する。第５ステップや第６ステップをさらに含むことで、磁壁移動の安定性はさらに向上する。

（実施例２）
第１実施形態の実施例２による磁気記憶素子について図３９（ａ）乃至３９（ｃ）を参照して説明する。図３９（ａ）は実施例２の第１および第２電極の配置を示す平面図、図３９（ｂ）は第１および第２電極に印加する電圧のタイミングチャート、図３９（ｃ）は磁性細線１０の位置ｘ_０における磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの分布を示す図である。

この実施例２の磁気記憶素子においては、実施例１の磁気記憶素子の場合と同様に、磁性細線１０が、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が存在しない領域Ｉ、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）のみ存在する領域ＩＩ、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の両方が存在する領域ＩＩＩ、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）のみ存在する領域ＩＶに分かれ、磁性細線の少なくとも一部において、第１方向に沿って領域Ｉ、領域ＩＩ、領域ＩＩＩ、領域ＩＶがこの順に周期的に並んでいる。実施例２においては、実施例１と異なり、磁性細線１０の断面積が極小となる位置は、領域ＩＩＩに含まれている。磁壁移動を行う各ステップについて説明する。

まず、電圧の非印加時においては（期間Ｔ_１）、磁性細線１０の断面積が小さい位置（例えば図３９（ｃ）の点Ａ）において磁気エネルギーが極小となるので、磁壁はそこに留まっている（第１ステップ）。

この状態で、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加すると（図３９（ｂ）、図３９（ｃ）に示す期間Ｔ_２）、第１電界発生領域の磁気異方性エネルギーが増加することによりエネルギー極小位置は図３９（ｃ）に示す点Ｂに変化し、それに伴って磁壁は点Ｂまで移動する（第２ステップ）。ここで、図３９（ｂ）中では負符号の電圧を印加しているが、一般に印加される電圧の符号と電界発生領域におけるエネルギーの変化の符号の関係は材料に依存するため、正符号の電圧を印加することもありうる。

その後、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加すると（図３９（ｂ）、図３９（ｃ）に示す期間Ｔ_３）、第２電界発生領域の磁気異方性エネルギーが増加することによりエネルギー極小位置は点Ｃに変化し、それに伴って磁壁は点Ｃまで移動する（第３ステップ）。

最後に第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加した電圧を切ると（図３９（ｂ）、３９（ｃ）に示す期間Ｔ_４）、磁壁エネルギーの空間分布は元の状態に戻り、磁壁はエネルギーが極小となる最寄りの位置（図３９（ｃ）の点Ｄ）まで移動する（第４ステップ）。

この一連のステップを繰り返すことにより、磁壁を所望の距離移動させることが可能となる。

なお、磁壁を逆方向に移動させるには、第２ステップと第３ステップの順序を入れ替えればよい。

また、この方法の各ステップにおいて、磁壁をエネルギーが極小となる位置に移動させることが必要になるため、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）または第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の電圧が一定以上の状態で十分な時間待機させる必要がある。

なお、実施例１の場合と同様に、図３９（ｂ）に示すタイミングチャートにおいて、第２ステップと第３ステップとが切り替わる時刻は多少ずれても構わない。例えば、第２ステップと第３ステップが時間的に離れて切り替わってもよい。この切り替わり時間の上限は磁壁がエネルギー極小位置に移動し、状態がエネルギー緩和するのに要する時間である。また、第２ステップと第３ステップが時間的に重なる時間帯が存在してもよい。この場合は、第１電極に電圧が印加される時間Ｔ_２と、第１電極への電圧の印加と第２電極への電圧の印加が重なる時間Ｔ_２’と、第２電極に電圧が印加される時間Ｔ_３と、に分かれる。このように、第２ステップと第３ステップが時間的に重なる時間帯Ｔ_２’においては、第１電界発生領域における磁気異方性エネルギーの変化と、第２電界発生領域における磁気異方性エネルギーの変化が同時に起こる。このため、第２ステップや第３ステップと異なるエネルギー分布が生成される。このとき、エネルギーの極小点は点Ｂと点Ｃの間に位置する。したがって、第２ステップと第３ステップとが重なる時間帯が存在すると、エネルギーの極小位置の時間変化が緩やかになり、その結果、磁壁が円滑に移動するので好ましい。 また、本実施例のように、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が磁性細線１０をはさんで重なる領域ＩＩＩ内において磁性細線１０の細線幅が極小となっていると、第２ステップと第３ステップが重なる時間帯において、第1電極と第2電極の両方を使って磁性細線の断面積が極小となる位置すなわち磁壁の位置エネルギーが極小となる位置のエネルギーを変化させることになるため、それぞれの電極に印加する電圧を低減させることができ、好ましい。

以上述べたように、実施例２の電圧印加方法においては、実施例１の電圧印加方法における、第1および第２電界発生領域の磁気異方性エネルギーの変化符号を逆転させた方法を用いることができる。したがって、実施例１の電圧パルスの波形の変形例の項に述べたのと同様にさまざまな電圧パルスの引加方法が可能である。例えば、第１電極に第１の符号の電圧を印加するステップ（第２ステップ）の後、第２電極に第１の符号の電圧を印加するステップ（第３ステップ）を実施することにより、第１電極の重心位置から第２電極の重心位置に向かう方向に磁壁を移動させることが可能である。この方法を用いると、磁性細線１０の断面積極小位置を両端とする細線断面積変化の一周期において、断面積極小領域は領域ＩＩＩに含まれ、かつ、領域Ｉ，領域ＩＩ，領域ＩＶをそれぞれ含む場合に、安定的に意図通りの方向に磁壁移動を行うことができる。また、さらに、第３ステップの後、第１電極に第１の符号と逆の第２の符号の電圧を印加するステップ（第５ステップ）と第２電極に第１の符号と逆の第２の符号の電圧を印加するステップ（第６ステップ）の少なくとも一方を含んでもよい。第５ステップと第６ステップをともに含む場合には第５ステップの後に第６ステップを実行する。第５ステップや第６ステップをさらに含むことで、磁壁移動の安定性はさらに向上する。具体的には、図３８（ａ）、３８（ｂ）に示す例は、負符号の電圧を印加した場合に磁性細線１０の磁気異方性エネルギーが低下する場合に図３９に示す磁性細線において点Ａから点Ｄまで磁壁を移動させるのに用いることが出来る例である。図３８（ｃ）、３８（ｄ）に示す例は、正符号の電圧を印加した場合に磁性細線１０の磁気異方性エネルギーが低下する場合に図３９に示す磁性細線において点Ａから点Ｄまで磁壁を移動させるのに用いることが出来る例である。

（実施例３）
次に、第１実施形態の実施例３による磁気記憶素子について図２０（ａ）乃至２０（ｃ）を参照して説明する。この実施例３の磁気記憶素子は、図２０（ａ）に示すように、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が重ならないように配置された構成を有している。

この実施例３による磁気記憶素子を駆動する場合における第１および第２電極にそれぞれ印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２の一例を図２０（ｂ）に示す。印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２は正負の符号を取りうる。電圧の符号と磁気異方性エネルギーの増減は材料による。まず、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加するＶ_２は０Ｖとする（時間Ｔ_１）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，０｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に負の電圧Ｖ_１を印加するとともに、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に正の電圧Ｖ_２を印加する（時間Ｔ_２）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛−１，１｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に負の電圧Ｖ_１を印加したまま第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を０Ｖとする（時間Ｔ_３）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛−１，０｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に負の電圧Ｖ_１を印加したまま第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を負にする（時間Ｔ_４）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛−１，−１｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を０Ｖにし、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２は負のままとする（時間Ｔ_５）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，−１｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を０Ｖにしたまま、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２は０Ｖにする（時間Ｔ_６）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，０｝と表される。上記時間Ｔ_１〜Ｔ_６における磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの分布を図２０（ｃ）に示す。

なお、この実施例３において、第１および第２電極にそれぞれ印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２を、例えば図２１（ａ）に示すように与えて駆動すれば、図２０（ｂ）に示す波形で第１および第２電極を駆動した場合の磁壁の移動方向と逆にすることができる。この場合の磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの分布の時間変化を図２１（ｂ）に示す。

（実施例４）
第１実施形態の実施例４による磁気記憶素子について図２２（ａ）乃至２２（ｃ）を参照して説明する。この実施例４の磁気記憶素子においては、磁性細線１０の幅が変動する１ピッチ内で、第１および第２電極がそれぞれ２個以上設けられた構成を有している。例えば、図２２（ａ）に示すように、磁性細線の幅の変動の１ピッチ内おいて、２つの第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）が設けられるとともに、２つの第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）が設けられた構成とすることができる。

この実施例４の磁気記憶素子を駆動する場合における第１および第２電極にそれぞれ印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２の一例を図２２（ｂ）に示す。まず、第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１および第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加するＶ_２は０Ｖとする（時間Ｔ_１）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，０｝と表される。次に、第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に負の電圧Ｖ_１を印加するとともに、第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に負の電圧Ｖ_２を印加する（時間Ｔ_２）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛−１，−１｝と表される。次に、第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を正にし、第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を負のままとする（時間Ｔ_３）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛１，−１｝と表される。次に、第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を正のままとし、第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を０Ｖにする（時間Ｔ_４）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛１，０｝と表される。次に、第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を正のままとし、第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を正にする（時間Ｔ_５）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛１，１｝と表される。次に、第１電極２０ａ_ｉ、２０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を０Ｖにしたまま、第２電極３０ａ_ｉ、３０ｂ_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２は０Ｖにする（時間Ｔ_６）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，０｝と表される。上記時間Ｔ_１〜Ｔ_６における磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの時間変化を図２２（ｃ）に示す。

なお、この実施例４において、第１および第２電極にそれぞれ印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２を、例えば図２３（ａ）に示すように与えて駆動すれば、図２２（ｂ）に示す波形で第１および第２電極を駆動した場合の磁壁の移動方向と逆にすることができる。この場合の磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの時間変化を図２３（ｂ）に示す。

（実施例５）
第１実施形態の実施例５による磁気記憶素子について図２４（ａ）乃至２４（ｃ）を参照して説明する。この実施例５の磁気記憶素子においては、図２４（ａ）に示すように、磁性細線１０を第３の方向から見たときに、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の射影が第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の射影に含まれるように構成されている。

この実施例５の磁気記憶素子を駆動する場合における第１および第２電極にそれぞれ印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２の一例を図２４（ｂ）に示す。まず、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加するＶ_２は０Ｖとする（時間Ｔ_１）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，０｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に正の電圧Ｖ_１を印加するとともに、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に負の電圧Ｖ_２を印加する（時間Ｔ_２）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛１，−１｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を正のままにし、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を０Ｖにする（時間Ｔ_３）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛１，０｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を負にし、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を正にする（時間Ｔ_４）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛−１，１｝と表される。次に、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_１を０Ｖにし、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に印加する電圧Ｖ_２を０Ｖにする（時間Ｔ_５）。このとき、電圧Ｖ_１、Ｖ_２の組みは｛０，０｝と表される。上記時間Ｔ_１〜Ｔ_５における磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの時間変化を図２４（ｃ）に示す。

なお、この実施例５において、第１および第２電極にそれぞれ印加する電圧Ｖ_１、Ｖ_２を、例えば図２５（ａ）に示すように与えて駆動すれば、図２４（ｂ）に示す波形で第１および第２電極を駆動した場合の磁壁の移動方向と逆にすることができる。この場合の磁壁の位置エネルギーＥ_ＤＷの時間変化を図２５（ｂ）に示す。

次に、第１および第２電極に電圧を印加しても磁壁の位置を自由に移動させることができない場合を比較例１乃至比較例３として説明する。

これらの比較例において、磁性細線１０の断面積が極小になる極小位置Ａ、極小位置Ｂをとり、極小位置Ａと極小位置Ｂの間にあって磁性細線１０の断面積が極大になる極大位置Ｃが存在する。この点は第１実施形態および実施例１乃至実施例５と共通する。しかし、以下に示すように、第１電極、第２電極の大きさや位置が、第１実施形態および実施例１乃至実施例５と異なるために、位置Ａと位置Ｂの間で磁壁を自由に移動させることができない。

（比較例１）
比較例１による磁気記憶素子の第１および第２電極の配置を図２６（ａ）、２６（ｂ）に示す。図２６（ａ）、２６（ｂ）はそれぞれ、比較例１による磁気記憶素子の上面図、断面図である。この比較例１においては、少なくとも極小位置Ａから極小位置Ｂにわたる範囲において、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）とが交互に並んでいる。図２６（ａ）に示すように、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）とが重なる領域が実質的に存在しない。また、図２６（ｂ）に示すように、磁性細線１０は第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と、絶縁膜２２、３２を介して接続される。この比較例１において、磁壁を位置Ｂから位置Ａに移動させるには、まず第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と磁性細線１０の界面近傍において磁性細線１０の磁気異方性エネルギーが低下するように第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加する。この際、磁壁の位置は極大位置Ｃから極小位置Ａ寄りの位置Ｄにおいてエネルギーが極小となり、エネルギーの極小位置Ｄまで磁壁が移動することが可能である。次に、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）の電圧を切ると磁性細線１０の断面積が極小となる極小位置Ａまで磁壁が移動する。しかし、逆に磁壁の位置を位置Ａから位置Ｂに移動させることはできない。上述のように、第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加して極大位置Ｃの付近の磁気異方性エネルギーを低下させたとしても、エネルギーの極小位置Ｄまでしか磁壁を移動させることができない。これは、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）に電圧を印加して位置Ｂの付近での磁気異方性エネルギーを下げたとしても位置Ａの付近の磁気異方性エネルギーも同時に下がるためである。また比較例１において第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）を位置Ｃに関して左右対称となるように配置した例は移動方向を確率的にしか制御することができない。

比較例１から分かるように、磁壁を所望の方向に移動させるためには、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が磁性細線１０を挟んで重なる領域、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が磁性細線１０を挟んで共に存在しない領域の少なくとも一方が存在する必要がある。

（比較例２）
比較例２による磁気記憶素子の第１および第２電極の配置を図２７（ａ）、２７（ｂ）に示す。図２７（ａ）、２７（ｂ）はそれぞれ、比較例２による磁気記憶素子の上面図、断面図である。比較例２においては、少なくとも極小位置Ａから極小位置Ｂにわたる範囲において、磁性細線１０と第１電極２０が絶縁膜２２を介して接続されている。この比較例１２も比較例１の場合と同様に、磁壁を位置Ｂから位置Ａまで移動させることは可能であるが、逆に位置Ａから位置Ｂまで移動させることができない。また比較例２において第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）を位置Ｃに関して左右対称となるように配置した例は移動方向を確率的にしか制御することができない。

また、比較例２と同様に少なくとも極小位置Ａから極小位置Ｂにわたる範囲において、磁性細線１０と第２電極３０が絶縁膜３２を介して接続されている場合も磁壁を双方向に移動させることができない。

これらの例から分かるように、第１電極、第２電極のそれぞれは互いに離間された複数の電極からなることが必要である。

（比較例３）
比較例３による磁気記憶素子の第１および第２電極の配置を図２８（ａ）、２８（ｂ）に示す。図２８（ａ）、２８（ｂ）はそれぞれ、比較例３による磁気記憶素子の上面図、断面図である。この比較例３においては、少なくとも極小位置Ａから極小位置Ｂにわたる範囲において、第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）と第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）が実質的に同じ大きさであり、また上面から見た場合に、同じ位置に配置されている。この比較例３も比較例１の場合と同様に、磁壁の移動可能方向が一方向に限定される。この比較例３では、磁壁位置を位置Ａから位置Ｂまで移動させることは可能であるが、逆に位置Ｂから位置Ａまで移動させることができない。また比較例３において第１電極２０_ｉ（ｉ＝１、・・・）および第２電極３０_ｉ（ｉ＝１、・・・）を位置Ｃに関して左右対称となるように配置した例は移動方向を確率的にしか制御することができない。

比較例３から分かるように、磁壁を所望の方向に移動させるためには、磁性細線１０を挟んで第１電極が存在し第２電極が存在しない第３領域、および磁性細線１０を挟んで第１電極が存在せず第２電極が存在する第４領域のうちの少なくとも一方が存在する必要がある。

（材料）
次に、第１実施形態および実施例１乃至実施例５のいずれかによる磁気記憶素子１の磁性細線１０の材料について説明する。磁性細線１０には、磁化方向が磁性細線１０の積層方向に直交する方向に向きうる各種の磁性材料を用いることができる。

一般に、磁化方向が磁性細線１０の延在する方向（第１方向）に対して直交する方向（短軸）を向く場合のほうが、磁性細線１０に延在する方向を向く場合よりも反磁界が大きいため、磁化方向を磁性細線の延在する方向に直交する方向に向けるには、反磁界に打ち勝つ十分な大きさの磁気異方性エネルギーＫ_ｕが必要とされる。そのため、磁気異方性エネルギーＫ_ｕが大きい材料を用いることが好ましい。

一軸磁気異方性エネルギーＫ_ｕが大きい材料として、以下のような材料を用いることができる。鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、クロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）よりなる群から選択された少なくとも一つの元素との組み合わせによる合金がある。一軸異方性エネルギーの値については、磁性膜を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整することができる。

また、ｈｃｐ構造（最密六方構造）の結晶構造を持ち、垂直の磁気異方性エネルギーを示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、コバルト（Ｃｏ）を主成分とする金属を含むものが代表的であるが、他のｈｃｐ構造を有する金属を用いることもできる。

磁性細線１０の第１方向が膜成長方向に対して垂直方向に形成される場合には、磁化方向を磁性細線１０に対して垂直方向に向けるためには、磁気異方性エネルギーの容易軸が膜面内にあることが必要とされる。磁気異方性エネルギーが大きく、磁気異方性エネルギーの容易軸が膜面内にある材料の例として、Ｃｏ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔなどが挙げられる。ＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔは、合金であってもよい。これらはｈｃｐ構造のｃ軸が膜面内にある金属結晶である。さらに、上記材料群のいずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。

また、磁性細線１０の第１方向が膜成長方向に対して平行方向に形成される場合には、磁気異方性エネルギーの容易軸が膜面垂直方向にあることが必要となる。これらを実現する材料の例としては、ｈｃｐ構造のｃ軸が膜面垂直方向に向いているＣｏ、ＣｏＰｔや、ＦｅＰｔ、（Ｃｏ／Ｎｉ）の積層膜、ＴｂＦｅなどが挙げられる。なお、ＣｏＰｔは合金であってもよい。ＴｂＦｅの場合、Ｔｂが２０ａｔｏｍｉｃ％以上４０ａｔｏｍｉｃ％以下である場合には、ＴｂＦｅは垂直異方性を示す。さらに、上記材料群いずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。

その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、磁性細線の延在する方向に対して垂直の磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、ＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。

また、磁性膜に用いられるこれらの磁性体には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｈなどの非磁性元素を添加して、磁気特性を調節することや、その他、結晶性、機械特性、化学的特性などの各種物性を調整することができる。

書き込み部４２および読み出し部４４の強磁性層４２２、４４２の材料として磁性細線１０と同様の材料を使うことができる。

書き込み部４２および読み出し部４４の非磁性層４２１、４４１の材料としては、非磁性金属あるいは絶縁性の薄膜を用いることができる。非磁性金属としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｂｉのうちのいずれか、あるいは、これらのいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性層４２１、４４１の厚さは、強磁性層４４２，４４２と磁性細線１０の静磁結合が十分小さく、かつ、非磁性層４２１、４４１のスピン拡散長より小さくする必要があり、具体的には、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。

非磁性層４２１、４４１に用いることのできる絶縁性材料として、磁気抵抗効果を大きくするには、非磁性層４２１，４４１の材料をトンネルバリア層として機能させることが効果的である。この場合、非磁性層４２１，４４１の材料としてＡｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ_２０_３、ＭｇＦ_２、ＣａＦ_２、ＳｒＴｉＯ_３、ＡｌＬａＯ_３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体（ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ_２、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁材料からなる非磁性層４２１、４４１の厚さは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。非磁性層４２１、４４１が絶縁層である場合、その内部にピンホールが存在してもよい。

（製造方法）
次に、第１実施形態による磁気記憶素子１の製造方法について図２９（ａ）乃至２９（ｃ）を参照して説明する。磁気記憶素子１は、成膜技術と微細加工技術によって作製される。磁気記憶素子１の具体的な製造工程の一例は以下の通りである。なお説明の簡略化のため、読み出し部および書き込み部については省略する。

まず、図２９（ａ）に示すように、上面に絶縁膜１００が形成されたウェーハ（図示せず）を用意し、この絶縁膜１００上に、電極膜を成膜し、リソグラフィー技術とＲＩＥ(Reactive Ion Etching)とを用いて第２電極３０の平面形状にパターニングし、所定間隔ごとに並んだ第２電極３０を形成する。この際、エッチングを下端までは行わないことにより、第２電極３０同士を下方で短絡させる。続いて、層間絶縁膜２９０を堆積した後、この層間絶縁膜２９０をＣＭＰ(Chemical Mechanical Polishing)を用いて平坦化し、電極３０の上面を露出させる（図２９（ａ））。

次に、絶縁膜２１４、磁性膜２１０、絶縁膜２１３、電極膜２１１を、この順序で成膜する。磁性膜２１０は、磁性細線１０となる。また、絶縁膜２１３および絶縁膜２１４の材料としては、例えばＭｇＯを用い、この絶縁膜２１３，２１４が、それぞれ絶縁膜２２および絶縁膜３２となる。電極膜２１１としては、例えばＴａを用い、これが第１電極２０となる。これらが積層されたウェーハを磁場中の真空炉に入れ、例えば２７０℃、１０時間の条件下で、磁場中でアニールすることにより、磁性膜１０に一方向異方性を付与する。その後、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、電極膜２１１、絶縁膜２１３、磁性膜２１０を、磁性細線１０の平面形状にパターニングした後、層間絶縁膜２９１を堆積する（図２９（ｂ））。

次に、層間絶縁膜２９１を平坦化し、電極膜２１１の上面を露出する。その後、リソグラフィー技術とＲＩＥとを用いて、電極膜２１１を、第１電極２０の平面形状にパターニングし、所定間隔ごとに並んだ第１電極２０を形成する。続いて、層間絶縁膜２９２を堆積した後、層間絶縁膜２９２を平坦化し、第１電極２０の上面を露出する。露出した第１電極２０の上面を覆うように金属膜を成膜し、この金属膜パターニングすることにより、配線層２９４を形成する。この配線層２９４によって第１電極２０が上方で短絡する。最後に絶縁膜２９６を堆積し、磁気記憶素子１が完成する（図２９（ｃ））。

以上説明したように、第１実施形態によれば、磁性細線を挟むように設けられた第１および第２電極に電圧を印加することにより、磁性細線中の磁壁を安定して移動させることが可能な磁気記憶素子を提供することできる。

（第２実施形態）
第２実施形態による磁気記憶素子１を図３０（ａ）乃至３０（ｃ）を参照して説明する。図３０（ａ）は、第２実施形態の磁気記憶素子１を基板に垂直な面で切断した断面図であり、図３０（ｂ）、３０（ｃ）はそれぞれ、図３０（ａ）の破線で示す部分Ｕの側面図，Ｖの上面図である。

第２実施形態の磁気記憶素子１は、磁性細線１０の全域に渡って、延在する第１方向が１つの直線に沿っておらず、第１方向が折れ曲がる場所が存在する。例えば、第１方向が基板面に対して垂直になる部分と、第１方向が基板面に沿う部分を含んでいる。第１方向が基板面に対して垂直になる部分は、図３０（ａ）において幅方向に平行な断面が表示され、第１方向が基板面に沿う部分は、図３０（ａ）において厚さ方向の断面が表示されている。図３０（ｂ）は、第１方向が基板面に沿う部分における幅方向に平行な面を表示している。

この第２実施形態の磁気記憶素子１における磁性細線１０の形状は、第１実施形態で説明したと同様の形状を有している。

第２実施形態の磁気記憶素子１において、磁壁の安定位置は断面形状およびそれによるエネルギー分布の極小点によって決まる。そのため、例えば、第１方向が基板面に対して垂直になる部分と、第１方向が基板面に沿う部分とで断面形状や寸法が一致していなくてもよい。また、第１方向が基板面に対して垂直になる部分と、第１方向が基板面に沿う部分とで第１電極２０、第２電極３０が並ぶ間隔が一致していなくても良い。なお、第１電極２０と磁性細線１０との間に絶縁膜２２が設けられ、第２電極３０と磁性細線１０との間に絶縁膜３２が設けられている。

この第２実施形態も第１実施形態と同様に、磁性細線中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶素子を提供することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による磁気記憶素子１について図３１（ａ）、３１（ｂ）を参照して説明する。図３１（ａ）は、第３実施形態の磁気記憶素子１を基板に垂直な面で切断した断面図であり、図３１（ｂ）は、第３実施形態の磁気記憶素子１を駆動するための駆動電圧のタイミングチャートである。

この第３実施形態の磁気記憶素子１は、２個の第２実施形態の磁気記憶素子１のそれぞれの磁性細線１０を底部において接続するとともに、上記２個の磁気記憶素子１のそれぞれの第２電極３０を共通にした構成を有している。なお、上記２個の磁気記憶素子１のうちの一方の磁気記憶素子１の第１電極２０はそのまま第１電極２０となるが、他方の磁気記憶素子の第１電極は第３電極２５となる。なお、第１電極２０および第３電極２５は、基板に垂直な方向において同じ位置に設けられている。

このように、２つの磁気記憶素子の第２電極を共通にすることで、集積化することが容易となる。そして、磁性細線の磁壁を一方向に移動させるためには、例えば図３１（ｂ）に示すように、第１電極２０と第３電極２５に与える電圧信号列を時間的にシフトさせればよい。

（変形例）
第３実施形態の変形例による磁気記憶素子１について、図３２（ａ）、３２（ｂ）を参照して説明する。図３２（ａ）は、第３実施形態の変形例による磁気記憶素子１を基板に垂直な面で切断した断面図であり、図３１（ｂ）は、第３実施形態の変形例による磁気記憶素子１を駆動するための駆動電圧のタイミングチャートである。

この変形例の磁気記憶素子１においては、第１電極２０および第３電極２５は、基板に垂直な方向において異なる位置に設けられている。すなわち、第１電極２０と第３電極２５の第１方向に沿った位置がずれている。この場合、第１電極２０と第３電極２５に与える電圧信号を同一のものとしても、磁壁を磁性細線１０の一方向に移動させることができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による磁気記憶装置について図３３および図３４を参照して説明する。第３実施形態の磁気記憶装置の回路図を図３３に示し、斜視図を図３４に示す。ただし、第１電極、第２電極は図示していない。

第３実施形態の磁気記憶装置５００はメモリセルアレイ３００を有している。このメモリセルアレイ３００は、マトリクス状の配列された複数のメモリセルを有し、各メモリセルは、第１乃至第２実施形態のいずれかの磁気記憶素子１と、例えば、トランジスタからなるスイッチング素子３２０とを備えている。また、メモリセルアレイ３００には、各行に設けられたワード線ＷＬ_１〜ＷＬ_ｍと、各列に設けられた情報読み出し用ビット線ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎと、が設けられている。

第ｉ（１≦ｉ≦ｍ）行のｎ個のメモリセルの磁気記憶素子１はそれぞれ、磁性細線１０が共通に接続されて磁性細線ＭＬ_ｉとなる。なお、各磁気記憶素子１の磁性細線１０は直接接続されなくてもよい。また、各メモリセルのスイッチング素子３２０は、ゲートが対応する行のワード線ＷＬ_ｉ（１≦ｉ≦ｍ）に接続され、一端が同じメモリセル内の磁気記憶素子１の読み出し部４４の一端に接続され、他端は接地される。メモリセル内の磁気記憶素子１の読み出し部４４の他端は、上記メモリセルに対応するビットＢＬ_ｊ（１≦ｊ≦ｎ）に接続される。

これらのワード線ＷＬ_１〜ＷＬ_ｍおよび磁性細線ＭＬ_１〜ＭＬ_ｍは、各配線を選択するデコーダ、書き込み回路等を有する駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂに接続されている。また、ビット線ＢＬ_１〜ＢＬ_ｎは、各配線を選択するデコーダ、読み出し回路等を備えている駆動回路４２０Ａ、４２０Ｂに接続されている。なお、図３３および図３４においては、磁気記憶素子１の書き込み部を省略して、図示していない。書き込み部は、一端が図示しない書き込み選択用のスイッチング素子に接続され、他端が図示しない電流源に接続される。そして、書き込み用のスイッチング素子と、読み出し用のスイッチング素子は共通に用いてもよい。また、複数のメモリセルに対して１個の読み出し部および１個の書き込み部を設けてもよい。この場合は、集積度を高めることができる。また、図３３および図３４に示すように、各メモリセルに１個の読み出し部４４および１個の書き込み部を設けた場合は、データの転送速度を高めることができる。また、電圧印加のための電極が列方向に延在している。これらを総称して、電圧付与電極と呼ぶ。これらは奇数列と偶数列とで異なる電圧信号が与えられる。とくに、第３実施形態の項で述べたように３種類の電圧シーケンスを用いることができる。４種類以上の電圧シーケンスを用いることもできる。

次に、第４実施形態に係るメモリセルアレイ内での磁壁の移動について説明する。駆動回路４３０により複数の電圧付与電極に対して、決められたシーケンスにしたがって、電圧が印加され、上述の手順により磁性細線内の磁壁の移動（すなわち、データのシフト移動）が行われる。

このようにメモリセルアレイ内での磁壁を移動させる方法によると、メモリセルアレイの同一列に属する複数の磁気記憶素子１において、同時にデータ保存位置が移動することになる。このように、電圧付与電極を他の磁気記憶素子と共有する構成とすることで、データの移動を共通の電圧源により一括して行うことができ高集積化に適している。

メモリセルヘの書き込みは、上記方法により磁性細線中に保存されたデータを必要な分移動させた後、書き込みを行う。

メモリセルに保存されたデータの読み出しは、まず、メモリセル内に磁化方向として保存されたビット列のうち、読み出したいビットが読み出し部に位置に来るようにデータのシフト移動を上述した方法で行う。その後、ワード線ＷＬを選択し、スイッチング素子３２０をオンとし、ビット線ＢＬに電流を流すことにより、読み出しを行う。なお、読み出し電流は、その向きが正であっても負であってもよいが、書き込み電流の絶対値よりも小さな絶対値を有している。これは、読み出しによって保存されたデータが反転しないためである。

第４実施形態によれば、第１または第２実施形態または第３実施形態の磁気記憶素子１を用いているので、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶装置を提供することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態の磁気メモリを図３５に示す。この第５実施形態の磁気メモリは、第４実施形態の磁気記憶装置５００を基板６００上に複数個マトリクス状に配置した構成を有している。このような構成とすることにより、大容量の磁気メモリを実現することができる。

第５実施形態によれば、第１または第２または第３実施形態の磁気記憶素子を用いているので、磁性体中の磁壁を安定して移動させることのできる磁気記憶装置を提供することができる。

なお、第４実施形態で示したワード線ＷＬ、情報読み出し用ビット線ＢＬ、メモリトラックのスイッチング素子３２０、駆動回路４１０Ａ、４１０Ｂ、４２０Ａ、４２０Ｂは、あくまで一例であり、配置や形状、構成を適宜変更してもよい。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、磁気記憶素子を構成する各要素の具体的な寸法関係や材料、その他、電極、パッシベーション、絶縁構造などの形状や材質に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。例えば、磁気素子を構成する磁性層のそれぞれについて、全て同一形状、同一サイズとする必要はなく、互いに異なる形状、サイズとなるように設計してもよい。また、磁気記憶素子における反強磁性層、中間層、絶縁層などの構成要素は、それぞれ単層として形成しても良く、あるいは、複数の層を積層した構造としてもよい。また、各実施形態にて説明した変形例を他の実施形態にも適用してもよいし、複数の変形例を組み合わせてもよい。

なお、本明細書を通じて、「垂直」には製造工程のばらつき等による厳密な垂直からのずれが含まれるものとする。同様に、本明細書を通じて、「平行」、「水平」は、厳密な平行、水平を意味するものではない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 磁気記憶素子
１０ 磁性細線
２０、２０_ｉ（ｉ＝１、・・・） 第１電極
２２ 絶縁膜
２５ 第３電極
３０、３０_ｉ（ｉ＝１、・・・） 第２電極
３２ 絶縁膜
４２ 書き込み部
４４ 読み出し部
４６ 電極

Claims (16)

1. 第１方向に延在し、前記第１方向に直交する断面積が前記第１方向に沿って変化するとともに前記断面積が極小となる位置を少なくとも２個有する磁性細線と、
   前記磁性細線を挟んで設けられた第１および第２電極群であって、前記第１電極群は前記第１方向に沿って離間して設けられた複数の第１電極を有し、前記第２電極群は前記第１方向に沿って離間して設けられた複数の第２電極を有し、前記第１電極および前記第２電極が前記磁性細線を挟んで共に存在しない第１領域と、前記磁性細線を挟んで前記第１電極が存在し前記第２電極が存在しない第２領域および前記第１電極と前記第２電極が前記磁性細線を挟んで重なる第３領域ならびに前記磁性細線を挟んで前記第１電極が存在せず前記第２電極が存在する第４領域のうちの少なくとも２つの領域と、を前記磁性細線が有するように、前記複数の第１電極および前記複数の第２電極が配置された第１および第２電極群と、
   前記複数の第１電極と前記磁性細線との間に設けられた第１絶縁膜と、
   前記複数の第２電極と前記磁性細線との間に設けられた第２絶縁膜と、
   を備えた磁気記憶素子。
2. 前記磁性細線は、前記第１方向に沿った第１部分と、前記第１部分に接続し前記第１方向と異なる第２方向に沿った第２部分とを有し、前記第１および第２部分にはそれぞれ、前記第１および第２電極群が設けられている請求項１記載の磁気記憶素子。
3. 前記磁性細線は、前記第１方向に沿った第１部分と、一端が前記第１部分に接続し前記第１方向と異なる第２方向に沿った第２部分と、前記第２部分の他端に接続し前記第１方向に平行な第３方向に沿った第３部分と、を有し、前記第１および第３部分にはそれぞれ前記第１方向および第３方向に沿って前記第１および第２電極群が設けられ、前記第１部分の前記第２電極群および前記第３部分の前記第２電極群は共通の第２電極群である請求項１記載の磁気記憶素子。
4. 前記第１部分の前記第１電極群と、前記第３部分の前記第１電極群は、前記第１方向において同じ位置に配置される請求項３記載の磁気記憶素子。
5. 前記第１部分の前記第１電極群と、前記第３部分の前記第１電極群は、前記第１方向において異なる位置に配置される請求項３記載の磁気記憶素子。
6. 第１方向に延在し、前記第１方向に交わる第２方向の断面積が前記第１方向に沿って変化し、前記断面積が極小となる位置を少なくとも２つ備える磁性細線と、
   前記磁性細線の第１部分に設けられ、前記第１方向に沿って離間して配置された複数の第１電極を備える第１電極群と、
   前記磁性細線の第２部分に設けられ、前記第１方向に沿って離間して配置された複数の第２電極を備える第２電極群と、を備え、
   前記磁性細線は、
   前記第２方向において、前記第１電極および前記第２電極がない第１領域と、
   前記第２方向において、前記第１電極があって前記第２電極がない第２領域、前記第１電極と前記第２電極がある第３領域、前記第１電極がなく前記第２電極がある第４領域のうちの少なくとも２つの領域と、を備えた磁気記憶素子。
7. 第１方向に延在し、前記第１方向に直交する第２方向の断面積が前記第１方向に沿って変化し、前記断面積が極小となる位置を少なくとも２つ備える磁性細線と、
   前記磁性細線の第１部分に設けられ、前記第１方向に沿って離間して配置された複数の第１電極を備える第１電極群と、
   前記磁性細線の第２部分に設けられ、前記第１方向に沿って離間して配置された複数の第２電極を備える第２電極群と、を備え、
   前記磁性細線は、
   前記第２方向において、前記第１電極および前記第２電極がない第１領域と、
   前記第２方向において、前記第１電極があって前記第２電極がない第２領域、前記第１電極と前記第２電極がある第３領域、前記第１電極がなく前記第２電極がある第４領域のうちの少なくとも２つの領域と、を備えた磁気記憶素子。
8. 前記磁性細線と前記複数の第１電極との間および前記磁性細線と前記複数の第２電極との間に絶縁膜が設けられた請求項６または７記載の磁気記憶素子。
9. 前記磁性細線は前記第３領域を有し、前記第３領域において前記断面積が極大となる位置を備える請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気記憶素子。
10. 前記磁性細線は前記第３領域を有し、前記第３領域において前記断面積が極小となる位置を備える請求項１乃至８のいずれかに記載の磁気記憶素子。
11. 前記複数の第１電極はそれぞれ共通の第１駆動電圧を発生する第１駆動部に接続され、前記複数の第２電極はそれぞれ共通の第２駆動電圧を発生する第２駆動部に接続される請求項１乃至１０のいずれかに記載の磁気記憶素子。
12. 前記磁性細線から磁化情報を読み出す読み出し部と、前記磁性細線に磁化情報を書き込む書き込み部と、を更に備えている請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気記憶素子。
13. マトリクス状に配列された請求項１乃至１２のいずれかに記載の複数の磁気記憶素子と、
    前記複数の磁気記憶素子のそれぞれに対応して設けられた複数のスイッチングトランジスタであって、ソースおよびドレインのうちの一方が対応する列の磁気記憶素子内の読み出し部の一端に接続される、複数のスイッチングトランジスタと、
    行に対応して設けられた複数の第１配線であって、各第１配線には、対応する行の前記スイッチングトランジスタのゲートが接続される、複数の第１配線と、
    列に対応して設けられた複数の第２配線であって、各第２配線には、対応する列の前記記憶素子内の前記読み出し部の他端が接続される、複数の第２配線と、
    を備えている磁気記憶装置。
14. 請求項１３記載の磁気記憶装置を複数個備え、前記複数の磁気記憶装置がマトリクス状に配列されている磁気メモリ。
15. 請求項１乃至１２のいずれかに記載の磁気記憶素子の駆動方法であって、
    前記第１電極群に第１駆動電圧を印加するステップと、
    前記第２電極群に第２駆動電圧を印加するステップと、
    を備えている駆動方法。
16. 前記第１駆動電圧を印加する時間と、前記第２駆動電圧を印加する時間が部分的に重なる請求項１５記載の駆動方法。