JP7052922B2 - 磁気素子及び磁気記録アレイ - Google Patents

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Description

本発明は、磁気素子及び磁気記録アレイに関する。本願は、２０１９年７月５日に、日本に出願された特願２０１９－１２６００５に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリに注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ
Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ 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、磁化の向きの変化によって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。データ記録は、ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗変化素子のそれぞれが担っている。例えば、特許文献１には、データ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気抵抗変化素子（磁壁移動素子）が記載されている。
また例えば、特許文献２には、スピン軌道トルクを利用してデータの書き換え（磁化の反転）を行う磁気抵抗変化素子（ＳＯＴ素子）が記載されている。特許文献２は、金属含有層２１上に積層される積層体ＳＢ１の側面を傾斜させることで、ＳＯＴ素子の消費電力の増大を防いでいる。
特許第５３９７３８４号公報 特許第６２７５８０６号公報
磁壁移動素子は、磁壁の位置でデータを多値又はアナログに記録する。多値又はアナログにデータを記録するためには、磁壁は緩やかに移動することが好ましい。磁壁が外力に対して敏感な場合、わずかな外力を印加するだけでデータが大きく変化してしまうためである。磁壁移動素子の抵抗面積積（ＲＡ）を大きくすると、磁壁の移動速度は緩やかになる。磁壁移動素子の抵抗面積積（ＲＡ）は、例えば、非磁性層の厚みを厚くすることで実現される。
一方で、非磁性層の厚みが厚い場合にミリング等により、特許文献２のように積層体の側面を傾斜させようとすると、非磁性層の影となる部分が増え、裾となる部分の幅が広くなってしまう。積層体の裾となる部分の幅が広くなると磁壁が移動する配線層の断面積が大きくなる。磁壁は磁化が反転することで移動し、磁化反転に要する最低限の電流密度は臨界電流密度と言われる。磁壁が移動する配線層の断面積が大きくなると、臨界度を確保するために必要な電流量が増加し、磁壁移動素子の動作電流が大きくなり、結果として消費電力が増大する。
またこの問題は磁壁移動素子に限られない。例えば、特許文献２に記載のＳＯＴ素子においても、ミリング等の際に非磁性層の影となる導電層の裾が広くなる。導電層の断面積が大きいと、同じ電流を流した時の導電層の電流密度が小さくなり、結果としてＳＯＴ素子の動作電流が大きくなる。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、動作電流を小さくすることができる磁気素子及び磁気記録アレイを提供する。
(１)第１の態様にかかる磁気素子は、第１方向に延び、強磁性体を含む配線層と、前記配線層に対して第２方向に積層された非磁性層とを、備え、前記配線層は、前記第１方向と直交する切断面において、前記第２方向に対して傾斜する側面を有し、前記側面は、前記第２方向に対する傾斜角が不連続となる屈曲点を一つ以上有し、前記屈曲点のうち前記非磁性層から最も離れた位置にある第１屈曲点を挟んで、前記非磁性層から遠い第１傾斜面の前記傾斜角は、前記非磁性層に近い第２傾斜面の前記傾斜角より小さい。
(２)上記態様にかかる磁気素子における前記配線層は、前記非磁性層に近い位置から第１強磁性層、磁気記録層、非磁性の下地層を順に有してもよい。
(３)上記態様にかかる磁気素子における前記配線層は、前記非磁性層に近い位置から第１強磁性層、導電層を順に有してもよい。
(４)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記第１強磁性層の側面に位置してもよい。
(５)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記磁気記録層の側面に位置してもよい。
(６)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記下地層の側面に位置してもよい。
(７)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記導電層の側面に位置してもよい。
(８)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との境界に位置してもよい。
(９)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記磁気記録層と前記下地層との境界に位置してもよい。
(１０)上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は、前記第１強磁性層と前記導電層との境界に位置してもよい。
(１１)上記態様にかかる磁気素子の前記第１方向と直交する切断面の前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向において、前記非磁性層の端部と前記第１屈曲点との距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点との距離より長くてもよい。
（１２）上記態様にかかる磁気素子の前記第１方向と直交する切断面において、前記非磁性層の端部と前記第１屈曲点との前記第２方向における距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点と前記第２方向における距離より長くてもよい。
(１３)上記態様にかかる磁気素子において、前記屈曲点のうち前記第１屈曲点の次に前記非磁性層から離れた位置にある第２屈曲点を挟んで、前記非磁性層から遠くに位置する第２傾斜面の前記傾斜角は、前記非磁性層の近くに位置する第３傾斜面の前記傾斜角より大きくてもよい。
(１４)上記態様にかかる磁気素子の前記第１方向と直交する切断面の前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向において、前記第１屈曲点と前記第２屈曲点との距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点との距離より長くてもよい。
(１５) 上記態様にかかる磁気素子の前記第１方向と直交する切断面において、前記第１屈曲点と前記第２屈曲点との前記第２方向における距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点との前記第２方向における距離より長くてもよい。
(１６) 上記態様にかかる磁気素子において、前記第１屈曲点は前記第１方向に延びてもよい。
(１７)上記態様にかかる磁気素子において、前記非磁性層の抵抗面積積（ＲＡ）が１×１０４Ωμｍ２以上であってもよい。
(１８)上記態様にかかる磁気素子において、前記配線層の前記非磁性層と反対側の面に、絶縁層をさらに備えてもよい。
(１９)上記態様にかかる磁気素子において、前記非磁性層の前記配線層と反対側に、第２強磁性層をさらに備えてもよい。
(２０)第２の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁気素子を複数有する。
上記態様にかかる磁気素子及び磁気記録アレイは、動作電流を小さくすることができる。
第１実施形態に係る磁気記録アレイの構成図である。 第１実施形態に係る磁気記録アレイの特徴部の断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子のｘｚ面における断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子の平面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子の製造工程の一部を図示した断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動素子の製造工程の一部を図示した断面図である。 比較例に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第１変形例に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第２変形例に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第３変形例に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第４変形例に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第２実施形態に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。 第３実施形態に係る磁壁移動素子のｘｚ面における断面図である。 第３実施形態に係る磁壁移動素子のｙｚ面における断面図である。
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。
まず方向について定義する。＋ｘ方向、－ｘ方向、＋ｙ方向及び－ｙ方向は、後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面と略平行な方向である。＋ｘ方向は、後述する配線層１０が延びる方向であり、後述する第１導電層４０から第２導電層５０へ向かう方向である。－ｘ方向は、＋ｘ方向と反対の方向である。＋ｘ方向と－ｘ方向を区別しない場合は、単に「ｘ方向」と称する。ｘ方向は、第１方向の一例である。＋ｙ方向は、ｘ方向と直交する一方向である。－ｙ方向は、＋ｙ方向と反対の方向である。＋ｙ方向と－ｙ方向を区別しない場合は、単に「ｙ方向」と称する。ｙ方向は、第３方向の一例である。＋ｚ方向は、後述する基板Ｓｕｂから磁壁移動素子１００へ向かう方向である。－ｚ方向は、＋ｚ方向と反対の方向である。＋ｚ方向と－ｚ方向を区別しない場合は、単に「ｚ方向」と称する。ｚ方向は、第２方向の一例である。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁壁移動素子１００と、複数の第１配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ、積和演算器、ニューロモーフィックデバイスに利用できる。磁壁移動素子１００は、磁性素子の一例である。
＜第１配線、第２配線、第３配線＞
第１配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、書き込み配線である。第１配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００の一端に接続される。
第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方に用いることができる配線である。第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁壁移動素子１００に亘って設けられてもよい。
第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、読み出し配線である。第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００の一端に接続される。
＜第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子＞
図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに接続されている。磁壁移動素子１００にスイッチング素子が接続されたものを半導体装置と称する。第１スイッチング素子１１０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第１配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に接続されている。
第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に書き込み電流が流れる。第１スイッチング素子１１０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。
第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁壁移動素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、第１配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、第２配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。
図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の特徴部分の断面図である。図２は、図１における一つの磁壁移動素子１００を配線層１０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。
図２に示す第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄと、を有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。第３スイッチング素子１３０は、電極Ｅと電気的に接続され、例えば、紙面奥行き方向（－ｙ方向）に位置する。
トランジスタＴｒのそれぞれと磁壁移動素子１００とは、接続配線Ｃｗを介して、電気的に接続されている。接続配線Ｃｗは、導電性を有する材料を含む。接続配線Ｃｗは、ｚ方向に延びる。接続配線Ｃｗは、例えば、絶縁層９０の開口部に形成されたビア配線である。
磁壁移動素子１００とトランジスタＴｒとは、接続配線Ｃｗを除いて、絶縁層９０によって電気的に分離されている。絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層９０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯｘ）等である。絶縁層９０は、例えば、後述する配線層１０の非磁性層２０と反対側に位置する。
「磁壁移動素子」
図３は、磁壁移動素子１００を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。磁壁移動素子１００は、配線層１０と非磁性層２０と第２強磁性層３０と第１導電層４０と第２導電層５０とを有する。
「配線層」
配線層１０は、ｘ方向に延びる部分であり、通電できる部分を含む。配線層１０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、ｘ方向が長軸、ｙ方向が短軸の矩形である。配線層１０は、非磁性層２０を挟んで、第２強磁性層３０と対向する。配線層１０は、例えば、第１導電層４０と第２導電層５０とに亘って、絶縁層９０上に積層される。絶縁層９０により配線層１０に沿って電流が流れる。配線層１０は強磁性体を含み、非磁性層２０側に強磁性層を有する。
配線層１０は、例えば、第１強磁性層１２、磁気記録層１４、下地層１６を有する。第１強磁性層１２、磁気記録層１４、下地層１６の順に、非磁性層２０に近い位置にある。
磁気記録層１４は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。磁気記録層１４は、内部に第１磁区１４Ａと第２磁区１４Ｂとを有する。第１磁区１４Ａの磁化Ｍ１４Ａと第２磁区１４Ｂの磁化Ｍ１４Ｂとは、例えば、反対方向に配向する。第１磁区１４Ａと第２磁区１４Ｂとの境界が磁壁１７である。磁気記録層１４は、磁壁１７を内部に有することができる。磁気記録層１４は、例えば第１磁区１４Ａの磁化Ｍ１４Ａが＋ｚ方向に配向し、第２磁区１４Ｂの磁化Ｍ１４Ｂが－ｚ方向に配向している。
以下、磁化がｚ軸方向に配向した例を用いて説明するが、磁気記録層１４、第１強磁性層１２及び第２強磁性層３０の磁化はｘ軸方向に配向してもよいし、ｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。磁化がｚ方向に配向する場合は、磁化がｘｙ面内に配向する場合より磁壁移動素子１００の消費電力、動作時の発熱が抑制される。また磁化がｚ方向に配向する場合は、磁化がｘｙ面内に配向する場合より同じ強度のパルス電流を印加した際における磁壁１７の移動幅が小さくなる。一方で、磁化がｘｙ面内のいずれかに配向する場合は、磁化がｚ方向に配向する場合より磁壁移動素子１００の磁気抵抗変化幅（ＭＲ比）が大きくなる。
第１磁区１４Ａと第２磁区１４Ｂとの比率は、磁壁１７が移動すると変化する。磁壁１７は、磁気記録層１４のｘ方向に書き込み電流を流すことによって移動する。例えば、磁気記録層１４の＋ｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の－ｘ方向に流れるため、磁壁１７は－ｘ方向に移動する。第１磁区１４Ａから第２磁区１４Ｂに向って電流が流れる場合、第２磁区１４Ｂでスピン偏極した電子は、第１磁区１４Ａの磁化Ｍ１４Ａを磁化反転させる。第１磁区１４Ａの磁化Ｍ１４Ａが磁化反転することで、磁壁１７は－ｘ方向に移動する。
磁気記録層１４は、磁性体により構成される。磁気記録層１４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。磁気記録層１４に用いられる材料として、例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、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１７を移動するために必要な閾値電流が小さくなる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁１７の移動速度が遅くなる。
第１強磁性層１２は、磁気記録層１４と非磁性層２０との間に位置する。第１強磁性層１２は、磁気記録層１４と磁気結合する。第１強磁性層１２は、磁気記録層１４と磁気結合することで、磁気記録層１４の磁気状態を反映する。第１強磁性層１２と磁気記録層１４とが強磁性カップリングする場合は、第１強磁性層１２の磁気状態は磁気記録層１４の磁気状態と同一になる。第１強磁性層１２と磁気記録層１４とが反強磁性カップリングする場合は、第１強磁性層１２の磁気状態は磁気記録層１４の磁気状態と反対になる。
第１強磁性層１２は、第２強磁性層３０と対向し、磁気抵抗変化を生み出す。第２強磁性層３０の磁化と第１強磁性層１２の磁化との相対角の違いにより、磁壁移動素子１００の抵抗値は変化する。第１強磁性層１２は、磁気記録層１４の磁気状態を反映し、第１磁区１２Ａと第２磁区１２Ｂとに区分される。第１磁区１２Ａの磁化Ｍ１２Ａは、例えば第２強磁性層３０の磁化Ｍ３０と同じ方向（平行）であり、第２磁区１２Ｂの磁化Ｍ１２Ｂは、例えば第２強磁性層３０の磁化Ｍ３０と反対方向（反平行）である。ｚ方向からの平面視で第２強磁性層３０と重畳する部分における第１磁区１２Ａの面積が広くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は低くなる。反対に、ｚ方向からの平面視で第２強磁性層３０と重畳する部分における第２磁区１２Ｂの面積が広くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は高くなる。
第１強磁性層１２の磁化は、所定の外力が印加された際に第２強磁性層３０の磁化よりも配向方向が変化しやすい。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。第１強磁性層１２は、磁化自由層と呼ばれることがある。
第１強磁性層１２は、強磁性体を含む。第１強磁性層１２は、例えば、第２強磁性層３０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。第１強磁性層１２は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を含む。第１強磁性層１２は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅである。
第１強磁性層１２は、例えば、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、ＸＹＺ又はＸ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１－ ａＦｅａＡｌｂＳｉ１－ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１－ｃＧａｃ等が挙げられる。
下地層１６は、磁気記録層１４の第１強磁性層１２と反対側に位置する。下地層１６は非磁性体からなる。下地層１６は、磁気記録層１４の結晶構造を規定するための層である。下地層１６が所定の構造であることで、磁気記録層１４の結晶性が高まり、磁気記録層１４の磁化の配向性が高まる。所定の構造は磁気記録層１４の結晶構造にもよるが、例えば、アモルファス、（００１）配向したＮａＣｌ構造、ＡＢＯ３の組成式で表される（００２）配向したペロブスカイト構造、（００１）配向した正方晶構造または立方晶構造である。
下地層１６は、導体又は絶縁体である。下地層１６は導体であることが好ましい。下地層１６が導体の場合、下地層１６の厚みは、磁気記録層１４の厚みより薄いことが好ましい。下地層１６の厚みが厚いと、配線層１０を流れる電流の多くが下地層１６を流れ、磁壁１７を移動させるのに必要な電流量が増加する。下地層１６は、例えば、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｗ、Ｐｄ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｃｕを含む。
配線層１０は、第１強磁性層１２を有さなくてもよい。この場合、磁気記録層１４の磁化と第２強磁性層３０の磁化との相対角の違いにより、磁壁移動素子１００の抵抗値は変化する。この場合、磁気記録層１４は、第２強磁性層３０との間でコヒーレントトンネル効果を得やすく、かつ、磁壁１７の移動速度が遅くなる保磁力の大きな材料により構成されることが好ましい。また配線層１０は、下地層１６を有さなくてもよい。
図４は、磁壁移動素子１００を図３におけるＡ－Ａ面で切断した断面図である。配線層１０の側面１１は、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜する。側面１１は、屈曲点を一つ以上有する。屈曲点は、ｚ方向に対する傾斜角が不連続となる点である。不連続とは、側面１１の接線の傾斜角が一定ではないこと又は連続的に変化しないことを意味する。
屈曲点は、具体的に以下の手順で確認する。まず磁壁移動素子１００の断面を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で撮像する。透過型電子顕微鏡像は、磁壁移動素子１００のサイズにもよるが、側面１１の形状が十分確認できる倍率で行う。次いで、絶縁層９０の部分の輝度と磁気記録層１４の部分の輝度とを抽出し、その中間値を規定する。そして、中間値を閾値として撮像した画像を二値化する。次いで、二値化した画像における側面１１の接線の傾斜角を、側面１１をｙ方向に１０等分した１１か所で求める。そして、測定点の位置と測定点における傾斜角とをグラフにプロットし、近似直線が途中で折れ曲がっている場合、この点が屈曲点となる。
非磁性層２０から最も離れた位置にある屈曲点を第１屈曲点Ｂ１と称する。図４に示す側面１１は屈曲点が一つであり、この屈曲点が第１屈曲点Ｂ１となる。また第１屈曲点Ｂ１を基準に非磁性層２０から離れる傾斜面を第１傾斜面１１Ａ、第１屈曲点Ｂ１を基準に非磁性層２０に向かう傾斜面を第２傾斜面１１Ｂと称する。第１傾斜面１１Ａと第２傾斜面１１Ｂは、第１屈曲点Ｂ１を挟む。図４に示す磁壁移動素子１００において、第１屈曲点Ｂ１は、磁気記録層１４と下地層１６との境界に位置する。
第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂは、平坦面でも湾曲面でもよい。第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂが平坦面の場合、ｙｚ平面において第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂは直線となり、第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂが湾曲面の場合、ｙｚ平面において第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂは曲線となる。図４では、第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂが湾曲面の場合を例示している。
第１傾斜面１１Ａのｚ方向に対する傾斜角θ１は、第２傾斜面１１Ｂのｚ方向に対する傾斜角θ２より小さい。ここで、第１傾斜面１１Ａ及び第２傾斜面１１Ｂが湾曲面の場合、第１屈曲点Ｂ１の近傍における接線のｚ方向の傾きを傾斜角θ１、θ２とする。
また第１屈曲点Ｂ１と非磁性層２０の端部ｅ１とのｙ方向の距離Ｌ１は、例えば、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２とのｙ方向の距離Ｌ２より長い。また第１屈曲点Ｂ１と非磁性層２０の端部ｅ１とのｚ方向の高さＨ１は、例えば、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２とのｚ方向の高さＨ２より長い。ｚ方向の高さＨ１，Ｈ２は、端部ｅ１、ｅ２から第１屈曲点Ｂ１を通るｘｙ平面に下した垂線の距離である。
また図５は、磁壁移動素子１００の平面図である。第１屈曲点Ｂ１は、ｘ方向に延びる。第１屈曲点Ｂ１がｘ方向に延びるとは、ｘ方向のいずれの位置で配線層１０をｙｚ平面で切断しても第１屈曲点Ｂ１を有するということを意味する。また第１屈曲点Ｂ１は、ｘ方向に連続する。第１屈曲点Ｂ１がｘ方向に連続するとは、ｚ方向からの平面視で、第１屈曲点Ｂ１が連続する直線又は曲線として確認できることを意味する。また図５において第１屈曲点Ｂ１は、ｘ方向に沿う直線として確認できる。第１屈曲点Ｂ１のｙ方向及びｚ方向の位置が一定の場合、第１屈曲点Ｂ１はｘ方向に沿う直線として確認される。
「非磁性層」
非磁性層２０は、配線層１０と第２強磁性層３０との間に位置する。非磁性層２０は、配線層１０の一面に積層される。
非磁性層２０は、例えば、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ２Ｏ４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。非磁性層２０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層２０はトンネルバリア層である。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等である。
非磁性層２０の厚みは、例えば、２０Å（２ｎｍ）以上であり、２５Å（２．５ｎｍ）以上であることが好ましく、３０Å（３ｎｍ）以上であることがより好ましい。非磁性層２０の厚みが厚いと、屈曲点の形成が容易になる。また非磁性層２０の厚みが厚いと、磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、例えば、１×１０３Ωμｍ２以上であり、１×１０４Ωμｍ２以上であることが好ましく、１×１０５Ωμｍ２以上であることがより好ましい。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの磁壁移動素子１００の素子抵抗と磁壁移動素子１００の素子断面積（非磁性層２０をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。
「第２強磁性層」
第２強磁性層３０は、非磁性層２０に面する。第２強磁性層３０は、一方向に配向した磁化Ｍ３０を有する。第２強磁性層３０の磁化Ｍ３０は、所定の外力が印加された際に第１強磁性層１２の磁化よりも配向方向が変化しにくい。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。第２強磁性層３０は、磁化固定層、磁化参照層と呼ばれることがある。
第２強磁性層３０は、第１強磁性層１２と同様の材料により構成される。
第２強磁性層３０の膜厚は、第２強磁性層３０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２強磁性層３０の膜厚を薄くすると、第２強磁性層３０と他の層（非磁性層２０）との界面で、第２強磁性層３０に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）が付加され、第２強磁性層３０の磁化がｚ方向に配向しやすくなる。
第２強磁性層３０の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、第２強磁性層３０をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択された強磁性体とＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈからなる群から選択された非磁性体との積層体とすることが好ましく、Ｉｒ、Ｒｕからなる群から選択された中間層を積層体のいずれかの位置に挿入することがより好ましい。強磁性体と非磁性体を積層すると垂直磁気異方性を付加することができ、中間層を挿入することによって第２強磁性層３０の磁化がｚ方向に配向しやすくなる。
第２強磁性層３０の非磁性層２０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設けてもよい。第２強磁性層３０、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第２強磁性層３０と反強磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、反強磁性層を有さない場合より第２強磁性層３０の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、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。
「第１導電層及び第２強磁性層」
第１導電層４０及び第２導電層５０は、配線層１０に接続される。第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、接続配線Ｃｗと配線層１０との接続部である。第１導電層４０は例えば配線層１０の第１端部に接続され、第２導電層５０は例えば配線層１０の第２端部に接続される。磁壁移動素子１００が第１導電層４０及び第２導電層５０を有さない場合は、接続配線Ｃｗと配線層１０とが直接接続される。
第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、磁性体を含む。第１導電層４０の磁化の向きは、第２導電層５０の磁化の向きと異なる。第１導電層４０及び第２導電層５０は、第１導電層４０及び第２導電層５０の近傍の磁気記録層１４の磁化を固定する。第１導電層４０の近傍の磁気記録層１４の磁化と、第２導電層５０の近傍の磁気記録層１４の磁化と、が異なる方向に固定されることで、磁気記録層１４に磁壁１７が生じる。
第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を含む。第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ等である。また第１導電層４０及び第２導電層５０は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）でもよい。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。二つの磁性層はそれぞれ磁化が固定されており、固定された磁化の向きは反対である。
磁壁移動素子１００の各層の磁化の向きは、例えば磁化曲線を測定することにより確認できる。磁化曲線は、例えば、ＭＯＫＥ（Magneto Optical Kerr Effect）を用いて測定できる。ＭＯＫＥによる測定は、直線偏光を測定対象物に入射させ、その偏光方向の回転等が起こる磁気光学効果(磁気Kerr効果)を用いることにより行う測定方法である。
次いで、磁気記録アレイ２００の製造方法について説明する。磁気記録アレイ２００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。
まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄを形成する。次いで、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。
次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層９０を形成する。また絶縁層９０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで接続配線Ｃｗが形成される。第１配線Ｗｐ、第２配線Ｃｍは、絶縁層９０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９０に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。
第１導電層４０及び第２導電層５０は、例えば、絶縁層９０及び接続配線Ｃｗの一面に、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層し、第１導電層４０及び第２導電層５０となる部分以外を除去することで形成できる。除去された部分は、例えば、絶縁層９０で埋める。
図６は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の製造工程の一部を図示した断面図である。図６に示すように、第１導電層４０及び第２導電層５０を挟む位置にある絶縁層９０上に、下地層８６、強磁性層８４、強磁性層８２、非磁性層８３、強磁性層８５を順に積層する。加工後に下地層８６は下地層１６となり、強磁性層８４は磁気記録層１４となり、強磁性層８２は第１強磁性層１２となり、非磁性層８３は非磁性層２０となり、強磁性層８５は第２強磁性層３０となる。次いで、強磁性層８５の上の一部に、レジストＲを形成する。レジストＲは、例えば、作製したい配線層１０の形状に合わせて、ｘ方向に延ばして形成する。
次いで、レジストＲを介して積層体を所定の形状に加工する。積層体の加工は、２回に分けて行う。１回目の加工は、図６に示すようにｘｙ平面に対して斜め方向からイオンビーム８７を照射する。イオンビーム８７をｘｙ平面に対して斜め方向から照射するのは、例えば、強磁性層８５の一部が非磁性層８３の側面にかかり、加工後の第２強磁性層３０と配線層１０とが短絡することを防ぐためである。レジストＲの影となる領域はミリングが進行しづらく、配線層８０の側面８１はｚ方向に対して傾斜する（図７参照）。
また抵抗面積積（ＲＡ）を大きくするために、非磁性層８３の厚みを厚くすると、その分だけレジストＲの絶縁層９０に対する高さ位置が高くなり、レジストＲの影となる領域が増える。レジストＲの影となる領域が増えると、配線層８０の裾がｙ方向に広がる。
図７は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の製造工程の一部を図示した断面図である。次いで、図７に示すように、積層体の２回目の加工を行う。２回目の加工は、図７に示すように、ｙ方向に広がる配線層８０の裾の部分に向ってイオンビーム８８を照射する。イオンビーム８８のｘｙ平面に対する入射角（ｚ方向に対する傾き角）は、一回目のイオンビーム８７より小さくする。例えば、イオンビーム８８をｘｙ平面に対して略垂直に照射する。イオンビーム８８により配線層８０の裾の一部が除去される。その結果、図４に示す磁壁移動素子１００が形成される。１回目の加工で第２傾斜面１１Ｂが形成され、２回目の加工で第１傾斜面１１Ａが傾斜される。第１傾斜面１１Ａと第２傾斜面１１Ｂとの境界が第１屈曲点Ｂ１となる。
第１実施形態に係る磁壁移動素子１００によれば、磁壁移動素子１００にデータを書き込む際に必要な電流量を低減できる。
図８は、比較例に係る磁壁移動素子１０１のｙｚ面における断面図である。比較例に係る磁壁移動素子１０１は、配線層１５の側面１３が屈曲点を有していない点が、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と異なる。比較例に係る磁壁移動素子１０１は、二回目の加工を行う前の図７に示す形状と等しい。配線層１５は、側面１３が屈曲点を有さないため、ｙ方向に裾が広がっている。配線層１５は、第１実施形態に係る配線層１０と比較して領域Ｒ１分だけ面積が広い。領域Ｒ１は、図７における２回目の加工で除去された部分に対応する。
磁壁移動素子１００にデータを書き込む場合、配線層１０のｘ方向に電流を流す。配線層１０のｘ方向に流した電流は、磁壁１７の位置を移動させ、磁壁移動素子１００にデータを書き込む。磁壁１７は、磁気記録層１４の磁化が反転することで移動する。磁化は、配線層１０を流れる電流が反転電流密度を超えると反転する。第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と比較例に係る磁壁移動素子１０１の反転電流密度は等しい。磁気記録層１４の磁化を反転させる場合に配線層１０、１５に流す電流の最小値は、反転電流密度に配線層１０、１５の断面積を乗じた値である。第１実施形態に係る磁壁移動素子１００は、領域Ｒ１分だけ配線層１０に流す電流量を比較例１に係る磁壁移動素子１０１より小さくできる。
磁壁移動素子１００は集積され磁気メモリとして用いられる場合が多い。それぞれの磁壁移動素子１００にデータを書き込む際に必要な電流量が増えると、磁気メモリの消費電力が増加する。領域Ｒ１に流れる電流分を削減するだけでも、一つの磁壁移動素子１００の消費電力を５％程度削減できる。磁気メモリは、多数の磁壁位相素子１００が集合したものであり、領域Ｒ１に流れる電流分を削減するだけでも、磁気メモリ全体としては消費電力を大きく低減できる。
また第１屈曲点Ｂ１の位置を磁気記録層１４と下地層１６との境界に設定すると、磁壁移動素子１００の不良の発生確率を低減し、製造時の歩留まりを向上できる。磁壁移動素子１００の不良の一例として、第１強磁性層１２と第２強磁性層３０との短絡がある。短絡の大きな原因の一つは、非磁性層２０の側面に導電性の付着物が付着することである。導電性の付着物は、積層体の２回目の加工時において付着する場合が多い。例えば、導電性の層にイオンビーム８８を照射することで導電性の物質が飛散し、非磁性層２０の側面に付着する。下地層１６は、磁気記録層１４及び下地層１６と比較して非磁性層２０との距離が遠い。そのため、下地層１６を加工した際の飛散物は、非磁性層２０の側面に付着しにくい。
また第１屈曲点Ｂ１の位置を磁気記録層１４と下地層１６との境界に設定することで、磁界の局所的な集中を抑制できる。屈曲点は、側面１１に生じる角部である。磁界は角部に集中しやすい。磁界は、磁性層の磁化状態に影響を及ぼす。磁性層の磁化状態は、例えば、磁壁移動素子１００の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）、磁壁１７の移動に影響を及ぼす。下地層１６は非磁性体であり、下地層１６と磁気記録層１４の界面に屈曲点が存在すると、磁界の局所的な集中を抑制できる。
また第１屈曲点Ｂ１の位置を磁気記録層１４と下地層１６との境界に設定することで、磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の磁化が乱れることを抑制できる。磁化は、界面の影響を強く受ける。側面１１は、屈曲点を境に傾斜角が変化する。屈曲点が磁気記録層１４又は第１強磁性層１２の側面に位置すると、傾斜面の傾斜角の変化に伴い、その近傍の磁化状態が乱れ、データの安定性が低下する。下地層１６は非磁性体であり、下地層１６と磁気記録層１４の界面に屈曲点が存在すると、磁化の乱れを抑制できる。
また第１屈曲点Ｂ１の位置を磁気記録層１４と下地層１６との境界に設定することで、磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の磁化の安定性を高め、データの安定性を高めることができる。磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の側面には、加工時にピニングサイトが形成される。ピニングサイトは、磁化が所定の方向に配向した状態を維持しようとする。ピニングサイトは、例えば、加工時に形成されたミキシング層である。磁化が所定の方向に維持されると、予期せぬ外力等が加わった場合でも磁化反転が生じず、データを長期に安定的に保持できる。
また第１屈曲点Ｂ１の位置を磁気記録層１４と下地層１６との境界に設定することで、磁壁移動素子１００の反転電流密度を下げることができる。第１屈曲点Ｂ１の近傍では、加工時に材料のミキシングが生じ、磁気記録層１４に含まれる磁性元素の一部が、下地層１６に含まれる場合がある。下地層１６に含まれる磁性元素はスピンの散乱因子となり、下地層１６にスピン軌道相互作用が強く作用する。スピン軌道相互作用は、スピンホール効果を誘起し、電流の流れ方向と直交する方向（ｚ方向）にスピン流を発生させる。スピン流は、下地層１６から磁気記録層１４にスピンを注入し、磁気記録層１４の磁化にスピン軌道トルクを与える。スピン軌道トルクは、磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の磁化反転をアシストし、磁壁移動素子１００の反転電流密度が低下する。
また第１屈曲点Ｂ１と非磁性層２０の端部ｅ１との距離Ｌ１を、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２との距離Ｌ２より長くすると、磁壁移動素子１００の不良の発生確率を低減し、かつ、データを書き込む際に必要な電流量を低減できる。距離Ｌ１が長くなると、加工した際の飛散物が非磁性層２０の側面に付着しにくくなる。また除去される領域Ｒ１の面積を大きくすると距離Ｌ２が短くなり、領域Ｒ１の面積が大きくなると除去される領域Ｒ１分だけ配線層１０に流す電流量を小さくできる。
第１屈曲点Ｂ１と非磁性層２０の端部ｅ１との距離Ｌ１を、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２との距離Ｌ２より長くすると、磁化をより安定的に保持することができる。磁性層（第１強磁性層１２及び磁気記録層１４）の側面は、ピニングサイトとなりうる。ピニングサイトにより磁化が固定されている領域が広いほど、磁化の安定性が高まり、データをより安定的に保持できる。ピニングサイトが形成される領域は加工時に露出している磁性層の表面積の大きさに依存する。距離Ｌ１を距離Ｌ２より長くすると、磁性層に形成されるピニングサイトの領域が大きくなる。
また第１屈曲点Ｂ１と非磁性層２０の端部ｅ１との高さＨ１を、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２との高さＨ２より長くすると、磁壁移動素子１００の不良の発生確率を低減できる。高さＨ１が長くなると、加工した際の飛散物が非磁性層２０の側面に付着しにくくなる。
また第１屈曲点Ｂ１と非磁性層２０の端部ｅ１との高さＨ１を、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２との高さＨ２より長くすると、磁気ノイズの磁性層（第１強磁性層１２及び磁気記録層１４）への影響を低減できる。屈曲点は、側面１１に生じる角部である。磁界は角部に集中しやすく、角部を境に形状が異なることで磁化が乱れ磁気ノイズが発生する。磁気ノイズは、磁性層の磁化状態に影響を及ぼす。磁性層の磁化状態は、例えば、磁壁移動素子１００の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）、磁壁１７の移動に影響を及ぼす。高さＨ１を高さＨ２より高くすると、相対的に底面から高さＨ２の範囲内に含まれる磁性体の量（磁化量）が少なくなり、磁化の乱れが抑制される。
第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００及び磁壁移動素子１００の一例について詳述したが、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００及び磁壁移動素子１００は、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。
（第１変形例）
図９は、第１変形例に係る磁壁移動素子１００Ａのｙｚ面における断面図である。磁壁移動素子１００Ａは、第１屈曲点Ｂ１が下地層１６の側面に位置する点が、磁壁移動素子１００と異なる。磁壁移動素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第１変形例に係る磁壁移動素子１００Ａは、データを書き込む際に必要な電流量を低減できる。また第１屈曲点Ｂ１が下地層１６の側面に位置すると、非磁性層２０への飛散物の付着を抑制でき、磁壁移動素子１００の不良の発生確率を低減できる。また下地層１６は非磁性体であり、屈曲点に磁界が局所的に集中することを抑制でき、磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の磁化の乱れを抑制できる。
第１屈曲点Ｂ１が下地層１６の側面に位置すると、磁壁移動素子１００の反転電流密度を下げることができる。屈曲点の近傍では、結晶構造の対称性が崩れる。結晶構造の対称性の崩れは、下地層１６内に内場を生み出し、下地層１６にスピン軌道相互作用が強く作用する。スピン軌道相互作用は、スピンホール効果を誘起し、電流の流れ方向と直交する方向（ｚ方向）にスピン流を発生させる。スピン流は、下地層１６から磁気記録層１４にスピンを注入し、磁気記録層１４の磁化にスピン軌道トルクを与える。スピン軌道トルクは、磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の磁化反転をアシストし、磁壁移動素子１００の反転電流密度が低下する。
（第２変形例）
図１０は、第２変形例に係る磁壁移動素子１００Ｂのｙｚ面における断面図である。磁壁移動素子１００Ａは、第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４の側面に位置する点が、磁壁移動素子１００と異なる。磁壁移動素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第２変形例に係る磁壁移動素子１００Ｂは、データを書き込む際に必要な電流量を低減できる。また第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４の側面に位置すると、磁壁１７の移動速度を小さくできる。屈曲点の近傍は、ミキシングの影響によりピニングサイトとなり、磁壁１７が動きにくくなる。外力に対して磁壁１７が動く幅が小さくなると、磁壁移動素子１００Ｂが複数の磁化状態を選択できるようになり、より多値にデータを記録できるようになる。
また第１屈曲点Ｂ１が下地層１６の側面に位置すると、加工時に下地層１６に磁性元素がミキシングする場合がある。上述のように磁性元素は、スピンの散乱因子となる。スピンが散乱するとスピン軌道相互作用が増強され、電流に対するスピン流の生成効率が高くなる。
なお、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱され、結果としてスピン流が減少する場合がある。添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線を構成する元素の総モル比よりも十分小さい方が好ましい。添加される磁性金属のモル比は、全体の３％以下であることが好ましい。添加される磁性金属の割合は、屈曲点の位置を変えることによって制御することができる。
（第３変形例）
図１１は、第３変形例に係る磁壁移動素子１００Ｃのｙｚ面における断面図である。磁壁移動素子１００Ｃは、第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置する点が、磁壁移動素子１００と異なる。磁壁移動素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第３変形例に係る磁壁移動素子１００Ｃは、データを書き込む際に必要な電流量を低減できる。また第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置することで、磁気記録層１４及び第１強磁性層１２の磁化の乱れを抑制できる。
また第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置することで、磁気記録層１４の面内において磁化の配向方向に違いが生じることを抑制できる。磁化は界面の影響を受けやすい。側面１１の近傍の磁化は、側面１１の影響を受けて、例えばｚ方向からｙ方向に傾く。第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置すると、磁気記録層１４の側面は、第１傾斜面１１Ａに属する。第１傾斜面１１Ａのｚ方向に対する傾斜角θ１は、第２傾斜面１１Ｂのｚ方向に対する傾斜角θ２より小さい。磁化が第１傾斜面１１Ａに沿って配向することで、磁気記録層１４のｙ方向の中心と第１傾斜面１１Ａの近傍における磁化の配向方向の違いを小さくできる。
例えば、磁化のｚ方向に対する傾き角は、磁気記録層１４のｙ方向の中心に向かうにつれて小さくなる。磁化のｚ方向に対する傾きが解消されるのに要する領域を緩和領域と称する。磁気記録層１４の側面の傾斜角が大きいと、緩和領域のｙ方向の幅が広くなり、緩和領域が第２強磁性層３０とｚ方向に重なる領域まで侵入する。緩和領域が第２強磁性層３０とｚ方向に重なる領域まで侵入すると、磁壁移動素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が小さくなる。磁壁移動素子１００Ｃは、第１屈曲点Ｂ１が磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置し、磁気記録層１４の側面のｚ方向に対する傾斜角を小さいため、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が大きい。
（第４変形例）
図１２は、第４変形例に係る磁壁移動素子１００Ｄのｙｚ面における断面図である。磁壁移動素子１００Ｄは、第１屈曲点Ｂ１が第１強磁性層１２の側面に位置する点が、磁壁移動素子１００と異なる。磁壁移動素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
第４変形例に係る磁壁移動素子１００Ｄは、データを書き込む際に必要な電流量を低減できる。また第１屈曲点Ｂ１が第１強磁性層１２の側面に位置することで、第１強磁性層１２及び磁気記録層１４の側面のｚ方向に対する傾斜角を小さくでき、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）を大きくできる。
また第１屈曲点Ｂ１が第１強磁性層１２の側面に位置すると、除去される領域Ｒ１の面積を大きくでき、配線層１０に流す電流量をより小さくできる。
［第２実施形態］
図１３は、第２実施形態に係る磁壁移動素子１０２のｙｚ面における断面図である。磁壁移動素子１０２は、側面１１が第２屈曲点Ｂ２を有する点が、磁壁移動素子１００と異なる。
側面１１は、二つの屈曲点を有する。非磁性層２０から最も離れた位置にある屈曲点を第１屈曲点Ｂ１と称し、第１屈曲点Ｂ１の次に非磁性層２０から最も離れた位置にある屈曲点を第２屈曲点Ｂ２と称する。また第１屈曲点Ｂ１を基準に非磁性層２０側から離れる傾斜面を第１傾斜面１１Ａ、第１屈曲点Ｂ１を基準に非磁性層２０に向かう傾斜面を第２傾斜面１１Ｂと称し、第２屈曲点Ｂ２を基準に非磁性層２０側に向かう傾斜面を第３傾斜面１１Ｃと称する。第２傾斜面１１Ｂは、第２屈曲点Ｂ２を基準に非磁性層２０から離れる傾斜面でもある。図１３に示す磁壁移動素子１０２において、第１屈曲点Ｂ１は、磁気記録層１４と下地層１６との境界に位置し、第２屈曲点Ｂ２は、磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置する。
第１傾斜面１１Ａ、第２傾斜面１１Ｂ及び第３傾斜面１１Ｃは、平坦面でも湾曲面でもよい。図１３では、第１傾斜面１１Ａ、第２傾斜面１１Ｂ及び第３傾斜面１１Ｃが湾曲面の場合を例示している。
第１傾斜面１１Ａのｚ方向に対する傾斜角θ１は、第２傾斜面１１Ｂのｚ方向に対する傾斜角θ２より小さい。また第２傾斜面１１Ｂのｚ方向に対する傾斜角θ３は、第３傾斜面１１Ｃのｚ方向に対する傾斜角θ４より大きい。ここで第２傾斜面１１Ｂのｚ方向に対する傾斜角は、第１傾斜面１１Ａとの対比においては第１屈曲点Ｂ１の近傍における接線のｚ方向の傾きであり、第３傾斜面１１Ｃとの対比においては第２屈曲点Ｂ２の近傍における接線のｚ方向の傾きである。
また第１屈曲点Ｂ１と第２屈曲点Ｂ２とのｙ方向の距離Ｌ３は、例えば、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２とのｙ方向の距離Ｌ２より長い。また第１屈曲点Ｂ１と第２屈曲点Ｂ２とのｚ方向の高さＨ３は、例えば、第１屈曲点Ｂ１と配線層１０の端部ｅ２とのｚ方向の高さＨ２より長い。
第２屈曲点Ｂ２は、例えば、イオンビーム８７、８８に対する第１強磁性層１２と磁気記録層１４とのエッチングレートの違いにより形成することができる。また第２屈曲点Ｂ２が層の界面に存在しない場合は、加工を複数回に分けて行うことで形成できる。
第２実施形態に係る磁壁移動素子１０２は、データを書き込む際に必要な電流量を低減できる。また第２屈曲点Ｂ２を有することで、第１傾斜面１１Ａと非磁性層２０との距離を離すことができ、第１傾斜面１１Ａを加工時に飛散物が非磁性層２０の側面に付着することを抑制できる。
また屈曲点を形成するために、複数回の加工を行うことで、磁壁移動素子１０２の不良の発生確率を低減し、製造時の歩留まりを向上できる。イオンビームを複数回加工すると、先の加工で非磁性層２０の側面に付着した飛散物を、後の加工で再度除去できる。またイオンビームの照射角度を段階的に加工面に対して垂直に近づけることで、側面１１の形状を整えつつ、非磁性層２０の側面に付着した飛散物を除去できる。短絡の原因となりうる飛散物を除去することで、磁壁移動素子１０２の不良の発生確率が低減し、製造時の歩留まりが向上する。
［第３実施形態］
第３実施形態に係る磁気メモリは、磁壁移動素子をＳＯＴ素子に置き換えている点が異なる。図１４は、第３実施形態に係るＳＯＴ素子１０３のｘｚ面における断面図である。ＳＯＴ素子は、磁性素子の一例である。
ＳＯＴ素子１０３は、配線層６０と非磁性層２０と第２強磁性層３０と第１導電層４０と第２導電層５０とを有する。非磁性層２０、第２強磁性層３０、第１導電層４０及び第２導電層５０の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子と同様である。ただし、ＳＯＴ素子１０３の場合、非磁性層２０の厚みは、磁壁移動素子の場合より薄いことが好ましく、非磁性層２０の厚みは、例えば、２０Å（２ｎｍ）以下である。
配線層６０は、第１強磁性層６２と導電層６４とを有する。第１強磁性層６２、導電層６４の順に、非磁性層２０に近い位置にある。
第１強磁性層６２は、磁性体を含み、磁化Ｍ６２を有する。第１強磁性層６２は、第２強磁性層１２と同様の材料を用いることができる。図１４では、第１強磁性層６２のｘ方向の長さが導電層６４と一致する場合を図示したが、第１強磁性層６２のｘ方向の長さは導電層６４より短くてもよい。
導電層６４は、スピン軌道トルク配線と言われる場合がある。導電層６４は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させ、第１強磁性層６２にスピンを注入する。導電層６４は、例えば、第１強磁性層６２の磁化Ｍ６２を反転できるだけのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）を第１強磁性層６２の磁化Ｍ６２に与える。第１強磁性層６２の磁化Ｍ６２は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）を受けて磁化反転する。
導電層６４は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。
導電層６４は、例えば、主元素として非磁性の重金属を含む。主元素とは、配線２０を構成する元素のうち最も割合の高い元素である。導電層６４は、例えば、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する重金属を含む。非磁性の重金属は、原子番号３９以上の原子番号が大きく、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有するため、スピン軌道相互作用が強く生じる。スピンホール効果はスピン軌道相互作用により生じ、導電層６４内にスピンが偏在しやすく、スピン流が発生しやすくなる。 導電層６４は、例えば、Ａｕ、Ｈｆ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｔａからなる群から選択されるいずれかを含む。
図１５は、ＳＯＴ素子１０３を図１４におけるＡ－Ａ面で切断した断面図である。配線層６０の側面６１は、ｚ方向に対してｙ方向に傾斜する。側面６１は、屈曲点を一つ以上有する。図１４に示す側面６１は、第１屈曲点Ｂ１を一つ有するが、２つ以上の屈曲点を有してもよい。
第１屈曲点Ｂ１は、第１傾斜面６１Ａと第２傾斜面６１Ｂとに挟まれる。第１傾斜面６１Ａは、第１屈曲点Ｂ１を基準に第２傾斜面６１Ｂより非磁性層２０から離れている。図１５に示すＳＯＴ素子１０３において、第１屈曲点Ｂ１は、導電層６４の側面にある。第１屈曲点Ｂ１は、第１強磁性層６２の側面にあってもよく、第１強磁性層６２と導電層６４との境界にあってもよい。第１傾斜面６１Ａ及び第２傾斜面６１Ｂは、平坦面でも湾曲面でもよい。
第１傾斜面６１Ａのｚ方向に対する傾斜角θ１は、第２傾斜面６１Ｂのｚ方向に対する傾斜角θ２より小さい。非磁性層２０の端部ｅ１、配線層６０の端部ｅ２及び第１屈曲点Ｂ１との位置関係は、磁壁移動素子の場合と同様である。
ＳＯＴ素子１０３の場合、非磁性層２０の厚みが薄く、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様の方法では、屈曲点を形成しにくい。ＳＯＴ素子１０３の場合は、例えば、配線層６０を２段階成膜することで屈曲点を作製する。具体的には、まず屈曲点となる厚みまで、第１層を成膜する。そして第１層を加工し、所定の形状にした後、周囲を絶縁層で埋める。次いで、第１層の上に第２層を成膜し、第２層を加工する。第１層と第２層が合わさって、配線層６０となる。成膜及び加工を２段階に行うことで、側面の形状を自由に設計でき、屈曲点を作製できる。
ＳＯＴ素子１０３が導電層６４に屈曲点Ｂ１を有する場合、導電層６４を流れる電流の密度が高くなり、第１強磁性層６２の磁化Ｍ６２が反転しやすくなる。またＳＯＴ素子１０３が第１強磁性層６２に屈曲点Ｂ１を有する場合、屈曲点Ｂ１の近傍における磁化Ｍ６ ２の傾きがその他の部分と異なる。そのため、屈曲点Ｂ１近傍の磁化Ｍ６２が磁化反転のきっかけとなって磁化反転が進み、第１強磁性層６２の磁化Ｍ６２が反転しやすくなる。
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。
例えば、第１実施形態から第３実施形態における特徴的な構成をそれぞれ組み合わせてもよい。また第２屈曲点Ｂ２が磁気記録層１４と第１強磁性層１２との境界に位置する場合を例示したが、第２屈曲点Ｂ２の位置はこの位置に限られない。また上記では、屈曲点が一つ又は二つの場合を例示したが、屈曲点の数は二つより多くてもよい。
図６及び図７に示すように、下地層８６、強磁性層８４、強磁性層８２、非磁性層８３、強磁性層８５を順に積層し、イオンビーム８７、８８を２回に分けて照射し、磁壁移動素子を作製した。磁壁移動素子は、非磁性層８３の厚みを変えて、複数種類作製した。非磁性層８３は、ＭｇＯとした。得られた磁壁移動素子のＲＡ及び動作電流を求めた。以下、その結果を表１示す。
Figure 0007052922000001
比較例１及び２は、非磁性層の厚みが薄く、図６及び図７に示す方法で屈曲点を形成することが難しかった。また比較例１及び２は、ＲＡが低く、磁壁移動素子（例えば、ニューロモーフィックデバイスとして用いる場合）には適していなかった。
実施例１は屈曲点を形成できたが、屈曲点を挟む第１傾斜面と第２傾斜面との傾斜角の差が小さかった。そのため、動作電流の低減効果は、実施例２～５より小さかった。また実施例１は、磁壁移動素子に適用できる最低限のＲＡを有していた。
実施例２～４は、明確な屈曲点を形成でき、動作電流の低減効果も十分得られた。また実施例２～４は、磁壁移動素子に適用するのに適したＲＡを有していた。
実施例５は、明確な屈曲点を形成でき、動作電流の低減効果も十分得られた。一方で、実施例５の磁壁移動素子は、ＲＡが大きかった。
１０、１５、６０、８０ 配線層
１１、１３、６１、８１ 側面
１１Ａ、６１Ａ 第１傾斜面
１１Ｂ、６１Ｂ 第２傾斜面
１１Ｃ 第３傾斜面
１２、６２ 第１強磁性層
１２Ａ、１４Ａ 第１磁区
１２Ｂ、１４Ｂ 第２磁区
１４ 磁気記録層
１６、８６ 下地層
１７ 磁壁
２０ 非磁性層
３０ 第２強磁性層
４０ 第１導電層
５０ 第２導電層
６４ 導電層
８２、８４、８５ 強磁性層
８３ 非磁性層
８７、８８ イオンビーム
９０ 絶縁層
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１０１、１０２ 磁壁移動素子
１１０ 第１スイッチング素子
１２０ 第２スイッチング素子
１３０ 第３スイッチング素子
２００ 磁気記録アレイ
Ｂ１ 第１屈曲点
Ｂ２ 第２屈曲点
ｅ１、ｅ２ 端部
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３ 距離

Claims (20)

  1. 第１方向に延び、強磁性体を含む配線層と、
    前記配線層に対して第２方向に積層された非磁性層とを、備え、
    前記配線層は、前記第１方向と直交する切断面において、前記第２方向に対して傾斜する側面を有し、
    前記側面は、前記第２方向に対する傾斜角が不連続となる屈曲点を一つ以上有し、
    前記屈曲点のうち前記非磁性層から最も離れた位置にある第１屈曲点を挟んで、前記非磁性層から遠い第１傾斜面の前記傾斜角は、前記非磁性層に近い第２傾斜面の前記傾斜角より小さい、磁気素子。
  2. 前記配線層は、前記非磁性層に近い位置から第１強磁性層、磁気記録層、非磁性の下地層を順に有する、請求項１に記載の磁気素子。
  3. 前記配線層は、前記非磁性層に近い位置から第１強磁性層、導電層を順に有する、請求項１に記載の磁気素子。
  4. 前記第１屈曲点は、前記第１強磁性層の側面に位置する、請求項２又は３に記載の磁気素子。
  5. 前記第１屈曲点は、前記磁気記録層の側面に位置する、請求項２に記載の磁気素子。
  6. 前記第１屈曲点は、前記下地層の側面に位置する、請求項２に記載の磁気素子。
  7. 前記第１屈曲点は、前記導電層の側面に位置する、請求項３に記載の磁気素子。
  8. 前記第１屈曲点は、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との境界に位置する、請求項２に記載の磁気素子。
  9. 前記第１屈曲点は、前記磁気記録層と前記下地層との境界に位置する、請求項２に記載の磁気素子。
  10. 前記第１屈曲点は、前記第１強磁性層と前記導電層との境界に位置する、請求項３に記載の磁気素子。
  11. 前記第１方向と直交する切断面における前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向において、前記非磁性層の端部と前記第１屈曲点との距離は、前記配線層の端部との前記第１屈曲点との距離より長い、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁気素子。
  12. 前記第１方向と直交する切断面において、前記非磁性層の端部と前記第１屈曲点との前記第２方向における距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点との前記第２方向における距離より長い、請求項１～１１のいずれか一項に記載の磁気素子。
  13. 前記屈曲点のうち前記第１屈曲点の次に前記非磁性層から離れた位置にある第２屈曲点を挟んで、前記非磁性層から遠くに位置する第２傾斜面の前記傾斜角は、前記非磁性層の近くに位置する第３傾斜面の前記傾斜角より大きい、請求項１～１２のいずれか一項に記載の磁気素子。
  14. 前記屈曲点は、前記第１屈曲点の次に前記非磁性層から離れた位置に第２屈曲点をさらに備え、
    前記第１方向と直交する切断面における前記第１方向及び第２方向と直交する第３方向において、前記第１屈曲点と前記第２屈曲点との距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点との距離より長い、請求項１１に記載の磁気素子。
  15. 前記第１方向と直交する切断面において、前記第１屈曲点と前記第２屈曲点との前記第２方向における距離は、前記配線層の端部と前記第１屈曲点との前記第２方向における距離より長い、請求項１３又は１４に記載の磁気素子。
  16. 前記第１屈曲点は前記第１方向に延びる、請求項１～１５のいずれか一項に記載の磁気素子。
  17. 前記非磁性層の抵抗面積積（ＲＡ）が１×１０４Ωμｍ２以上である、請求項２に記載の磁気素子。
  18. 前記非磁性層の厚みが２．０ｎｍ以上である、請求項２に記載の磁気素子。
  19. 前記配線層の前記非磁性層と反対側の面に、絶縁層をさらに備える、請求項１～１８のいずれか一項に記載の磁気素子。
  20. 前記非磁性層の前記配線層と反対側に、第２強磁性層をさらに備える、請求項１～１８のいずれか一項に記載の磁気素子を複数有する、磁気記録アレイ。
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