JP7400502B2 - 磁壁移動素子及び磁気記録アレイ - Google Patents

Description

本発明は、磁壁移動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。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、磁壁の移動を利用した磁気抵抗効果素子が記載されている。特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子は、磁壁の位置によって情報をアナログに記録する。特許文献１に記載の磁気抵抗効果素子は、磁化固定部によって磁壁が移動できる範囲を制御している。

特許第５５９８６９７号公報

磁壁移動素子は、非磁性層を挟む２つの強磁性体の磁化の相対角の違いに応じて抵抗値が変化する。磁壁移動素子は、抵抗値に基づいてデータを記憶する。磁壁移動素子は、磁壁の消滅を防ぐために、磁壁が移動する磁気記録層に磁化固定部を設ける場合がある。また複数の磁壁移動素子の集積度を上げるために、磁化固定部を含む磁気記録層の一面に、抵抗変化の基準となる参照層を積層する場合がある。磁化固定部は磁化の方向が固定され、磁化固定部の磁化と参照層の磁化との相対角は変化しない。したがって、磁化固定部は、磁壁移動素子の抵抗値変化を生み出さず、磁化固定層と参照層とが平面視重なる分だけ、抵抗の変化幅が小さくなる。抵抗値の変化幅が大きいと、例えば、磁壁移動素子が記録するデータがノイズにより変動することを抑制できる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、抵抗変化幅の広く安定な磁壁移動型磁気記録素子及び磁気メモリを提供する。

（１）第１の態様にかかる磁壁移動素子は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層に対して第１方向に位置し、第２方向に延びる磁気記録層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、前記磁気記録層の前記非磁性層と反対側に位置し、前記第１方向において前記磁気記録層の一部とそれぞれ重なる第１電極と第２電極と、を備え、前記第１電極は、前記第１強磁性層の磁化の向きと異なる方向に磁化が配向した磁性体を含み、前記磁気記録層は、前記第１電極及び前記第１強磁性層と前記第１方向において重なる第１領域と、前記第２電極及び前記第１強磁性層と前記第１方向において重なる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とに挟まれる第３領域とを有し、前記第１領域の前記第１電極と対向する第１部分の面積は、前記第２領域の前記第２電極と対向する第２部分の面積より広く、前記第１強磁性層は、前記第１方向から見て、前記第１電極及び前記第２電極の一部と重なる。

（２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２電極は、前記第１強磁性層の磁化の向きと同じ方向に磁化が配向した磁性体含んでもよい。

（３）上記態様にかかる磁壁移動素子は、基板をさらに有し、前記第１強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板の近くに位置してもよい。

（４）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記磁気記録層の前記第３領域を覆う絶縁層をさらに有してもよい。

（５）上記態様にかかる磁壁移動素子は、基板をさらに有し、前記第１強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板から遠い位置にあってもよい。

（６）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記磁気記録層の前記第２方向の側面は、前記第１方向に対して傾斜してもよい。

（７）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１電極は、前記第１方向に対して傾斜する第１傾斜部を有してもよい。

（８）上記態様にかかる磁壁移動素子の前記磁気記録層の前記第１方向及び前記第２方向に直交する前記第３方向の中心を通り、前記第１方向及び前記第２方向に広がる切断面において、前記第１電極は、第１側面と、前記第１側面より前記第２電極の近くに位置する第２側面と、を有し、前記第１側面は、前記第２側面の前記第１方向に対する傾斜角より大きな傾斜角を有する部分を有してもよい。

（９）上記態様にかかる磁壁移動素子の前記磁気記録層の前記第１方向及び前記第２方向に直交する前記第３方向の中心を通り、前記第１方向及び前記第２方向に広がる切断面において、前記第１電極は、第１側面と、前記第１側面より前記第２電極の近くに位置する第２側面と、を有し、前記第１側面は、前記第１方向に対する傾きが不連続に変化する部分を有してもよい。

（１０）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壁移動素子を複数有してもよい。

上記態様にかかる磁壁移動素子及び磁気記録アレイによれば、抵抗変化幅を広げることができる。

第１実施形態に係る半導体装置の断面図である。 第１実施形態に係る記憶素子の断面図である。 第１実施形態に係る記憶素子の平面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の記憶素子の第１変形例の平面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の記憶素子の第２変形例の断面図である。 第１実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第３変形例の断面模式図である。 第１実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第３変形例の平面模式図である。 第１実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第４変形例の断面模式図である。 第１実施形態にかかる記憶素子の第５変形例の断面模式図である。 第２実施形態にかかる半導体装置の断面模式図である。 第２実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の断面模式図である。 第２実施形態にかかる記憶素子の第６変形例の断面模式図である。 第３実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。

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方向及びｙ方向は、後述する基板６０の一面と略平行な方向である。ｘ方向は、後述する磁気記録層２０が延びる方向である。ｘ方向は、第２方向の一例である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｚ方向は、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向である。ｚ方向は第１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］
＜半導体装置＞
図１は、第１実施形態にかかる半導体装置の断面図である。図１は、磁気記録層２０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。半導体装置２００は、複数の記憶素子１００と、記憶素子１００に接続された半導体素子（例えばトランジスタ）と、を有する。図１では、便宜上、一つの記憶素子１００にフォーカスし、記憶素子１００に接続された３つのトランジスタを図示している。半導体装置２００は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０と第１電極４０と第２電極５０と基板６０と第３電極７０と複数の絶縁層８０と複数の導電部９０と第１配線Ｃｍと第２配線Ｗｐと第３配線Ｒｐと複数のゲート電極Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３と複数のゲート絶縁膜ＧＩ１，ＧＩ２，ＧＩ３とを有する。第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０と第１電極４０と第２電極５０とを記憶素子１００と称する。記憶素子１００は、磁壁移動素子の一例である。図１に示す半導体装置２００は、磁気記録層２０が第１強磁性層１０より基板６０の近くに位置するトップピン構造である。

「基板、ゲート電極、ゲート絶縁膜」
基板６０は、例えば、半導体基板である。基板６０は、複数のソース領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及び複数のドレイン領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を有する。複数のソース領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３及び複数のドレイン領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、基板６０に不純物が注入された領域である。ソース領域Ｓ１、ドレイン領域Ｄ１、ゲート電極Ｇ１、ゲート絶縁膜ＧＩ１は、第１トランジスタＴｒ１となる。ソース領域Ｓ２、ドレイン領域Ｄ２、ゲート電極Ｇ２、ゲート絶縁膜ＧＩ２は、第２トランジスタＴｒ２となる。ソース領域Ｓ３、ドレイン領域Ｄ３、ゲート電極Ｇ３、ゲート絶縁膜ＧＩ３は、第３トランジスタＴｒ３となる。

「絶縁層」
絶縁層８０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８０は、基板６０、第１配線Ｃｍ、第２配線Ｗｐ、第３配線Ｒｐ及び記憶素子１００のそれぞれを、導電部９０を除いて、電気的に分離する。

絶縁層８０には、半導体デバイス等で用いられているものと同様の材料を用いることができる。絶縁層８０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、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（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

「配線」
第１配線Ｃｍ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で用いられる配線である。第２配線Ｗｐは、書き込み配線である。書き込み配線は、データの書き込み時に用いられる配線である。第３配線Ｒｐは、読み出し配線である。読み出し配線は、データの読み出し時に用いられる配線である。第１トランジスタＴｒ１及び第３トランジスタＴｒ３がオンになると、第２配線Ｗｐと第１配線Ｃｍとが電気的に繋がり、記憶素子１００に書き込み電流が流れる。第２トランジスタＴｒ１及び第３トランジスタＴｒ３がオンになると、第３配線Ｗｐと第１配線Ｃｍとが電気的に繋がり、記憶素子１００に読み出し電流が流れる。

「導電部」
導電部９０は、第１配線Ｃｍ、第２配線Ｗｐ、第３配線Ｒｐ、記憶素子１００のそれぞれと基板６０とを電気的に接続する。導電部９０は、導電性を有する材料を含む。導電部９１は、第２配線Ｗｐと第１トランジスタＴｒ１のソース領域Ｓ１とを電気的に繋ぐ。導電部９２は、第２電極５０と第１トランジスタＴｒ１のドレイン領域Ｄ１とを電気的に繋ぐ。導電部９３は、第３配線Ｒｐと第２トランジスタＴｒ２のソース領域Ｓ２とを電気的に繋ぐ。導電部９４は、配線７１と第２トランジスタＴｒ２のドレイン領域Ｄ２とを電気的に繋ぐ。導電部９５は、第１配線Ｃｍと第３トランジスタＴｒ３のソース領域Ｓ３とを電気的に繋ぐ。導電部９６は、第１電極４０と第３トランジスタＴｒ３のドレイン領域Ｄ３とを電気的に繋ぐ。導電部９１，９２，９３，９４，９５，９６は、ｚ方向に延びる。

「第３電極」
第３電極７０は、記憶素子１００に読み出し電流を流すための電極である。第３電極７０は、導電性を有する材料を含む。第３電極７０と導電部９４との間は、配線７１で接続されている。

「記憶素子」
図２は、第１実施形態に係る半導体装置の記憶素子１００の近傍を拡大した断面図である。図３は、第１実施形態に係る半導体装置の記憶素子１００の平面図である。記憶素子１００は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０と第１電極４０と第２電極５０とを有する。図２は、記憶素子１００を磁気記録層のｙ方向の中心を通るｘｚ平面（図３におけるＡ－Ａ面）で切断した断面図である。図２では、簡単のため、磁気記録層２０、非磁性層３０及び第１強磁性層１０の周囲の絶縁層８０を省略している。

「第１電極、第２電極」
第１電極４０及び第２電極５０は、磁気記録層２０を基準に非磁性層３０と反対側に位置する。第１電極４０及び第２電極５０は、絶縁層８０の内部にある。第１電極４０は磁気記録層２０と導電部９６との間に位置し、第２電極５０は磁気記録層２０と導電部９２との間に位置する。第１電極４０の少なくとも一部は、ｚ方向において磁気記録層２０と重なる。第２電極５０の少なくとも一部は、ｚ方向において磁気記録層２０と重なる。

ｚ方向からの第１電極４０及び第２電極５０の平面視形状は、特に問わない。例えば、図３に示す第１電極４０及び第２電極５０は、ｚ方向からの平面視で矩形である。

第１電極４０は、磁性体を含む。第１電極４０は、例えば、一方向に配向した磁化Ｍ_４０を有する。第１電極４０の磁化Ｍ_４０の向きは、第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０の向きと異なる。図２に示す磁化Ｍ_４０は、例えば、－ｚ方向に配向する。第１電極４０の保磁力は、後述する磁気記録層２０の第３領域Ｒ３の保磁力より大きい。第３領域Ｒ３の保磁力は、第１電極４０及び第２電極５０を有さない絶縁層８０上に磁気記録層２０を形成した場合の磁気記録層２０の保磁力と略一致する。

第１電極４０と第３領域Ｒ３との間の保磁力差は、第１電極４０を構成する材料と磁気記録層２０を構成する材料とを選択して調整できる。また第１電極４０をシンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）としてもよい。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。例えば、図１に示す第１電極４０の下方に、非磁性層と強磁性層とを設ける。第１電極４０と強磁性層とがカップリングすることで、第１電極４０の保磁力が高まる。

第１電極４０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電極４０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ等である。

第２電極５０は、導体である。第２電極は、例えば、導電性に優れるＡｌ、Ｃｕ、Ａｇ等である。

「磁気記録層」
磁気記録層２０は、第１電極４０、第２電極５０のｚ方向に位置する。磁気記録層２０は、第１面４０ａ、５０ａに跨って形成されている。磁気記録層２０は、第１面４０ａ、５０ａに直接接続されていてもよいし、間に層を介して接続されていてもよい。

磁気記録層２０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を記録できる層である。磁気記録層２０は、非磁性層３０より第１電極４０及び第２電極５０側に位置する磁性層である。磁気記録層２０は、ｘ方向に延びる。図２に示す磁気記録層２０は、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。

磁気記録層２０は、内部に第１磁区２８と第２磁区２９とを有する。第１磁区２８の磁化Ｍ_２８と第２磁区２９の磁化Ｍ_２９とは、反対方向に配向する。第１磁区２８と第２磁区２９との境界が磁壁２７である。磁気記録層２０は、磁壁２７を内部に有することができる。図２に示す記憶素子１００は、第１磁区２８の磁化Ｍ_２８が＋ｚ方向に配向し、第２磁区２９の磁化Ｍ_２９が－ｚ方向に配向する。以下、磁化がｚ軸方向に沿って配向した例を用いて説明するが、磁気記録層２０及び第１強磁性層１０の磁化はｘ軸方向に沿って配向してもよいし、ｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。

記憶素子１００は、磁気記録層２０の磁壁２７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、読み出し電流を印加した際に、記憶素子１００の抵抗値変化として読み出される。

磁気記録層２０における第１磁区２８と第２磁区２９との比率は、磁壁２７が移動すると変化する。第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０は、第１磁区２８の磁化Ｍ_２８と同じ方向（平行）であり、第２磁区２９の磁化Ｍ_２９と反対方向（反平行）である。磁壁２７が＋ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分における第１磁区２８の面積が広くなると、記憶素子１００の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁２７が－ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分における第２磁区２９の面積が広くなると、記憶素子１００の抵抗値は高くなる。

磁壁２７は、磁気記録層２０のｘ方向に書き込み電流を流す、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、磁壁２７が移動する。この時、電子は、電流と逆の－ｘ方向に流れる。第１磁区２８から第２磁区２９に向って電流が流れる場合、第２磁区２９でスピン偏極した電子は、第１磁区２８の磁化Ｍ_２８を磁化反転させる。第１磁区２８の磁化Ｍ_２８が磁化反転することで、磁壁２７が移動する。

磁気記録層２０は、異なる複数の領域に区分できる。以下、複数の領域を便宜上、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３と称する。磁気記録層２０は、ｚ方向からの平面視で、その一部が第１電極４０及び第２電極５０と重なる。ｚ方向から見て第１電極４０及び第１強磁性層１０と重なる領域を第１領域Ｒ１と称する。第１領域Ｒ１は、例えば、磁気記録層２０のうち第１電極４０の上面及び第１強磁性層１０の下面と重なる領域であり、例えば磁気記録層２０と第１電極４０とが接する領域のうちz方向に第１強磁性層１０と重なる領域である。ｚ方向から見て第２電極５０及び第１強磁性層１０と重なる領域を第２領域Ｒ２と称する。第２領域Ｒ２は、例えば、磁気記録層２０のうち第２電極５０の上面及び第１強磁性層１０の下面と重なる領域であり、例えば磁気記録層２０と第２電極５０とが接する領域のうちz方向に第１強磁性層１０と重なる領域である。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２に挟まれた領域を第３領域Ｒ３と称する。第３領域Ｒ３は、例えば、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２を除く領域である。第１領域Ｒ１は、第１電極４０の磁化Ｍ_４０により磁化の向きが固定されている。第２領域Ｒ２は磁化が固定されていない。しかしながら、第２領域Ｒ２は第２電極５０と接しているため、第２領域Ｒ２の電流密度は第３領域Ｒ３の電流密度より小さく、第３領域Ｒ３から第２領域Ｒ２に至る際の電流密度の変化量は、第３領域内を流れる電流の電流密度の変化量に対して大きい。そのため、磁壁２７は、第３領域Ｒ３から第２領域Ｒ２に侵入しにくくなり、磁壁２７の移動範囲が制限される。

第１領域Ｒ１は、第１部分Ｒ１ａを有する。第１部分Ｒ１ａは、第１領域Ｒ１において第１電極４０と対向する面である。第１部分Ｒ１ａは、例えば、第１領域Ｒ１において第１電極４０と接する面である。第２領域Ｒ２は、第２部分Ｒ２ａを有する。第２部分Ｒ２ａは、第２領域Ｒ２において、第２電極５０と対向する面である。第２部分Ｒ２ａは、例えば、第２領域Ｒ２において第２電極５０と接する面である。第１部分Ｒ１ａの面積は、第２部分Ｒ２ａの面積より広い。図３に示す例では、第１部分Ｒ１ａと第２部分Ｒ２ａのｙ方向の幅ｗ_ｙは同じであり、第１部分Ｒ１ａのｘ方向の幅ｗ_ｘ１は、第２部分Ｒ２ａのｘ方向の幅ｗ_ｘ２より広い。

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、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。

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。磁気記録層２０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、磁壁の移動速度が遅くなる。

「非磁性層」
非磁性層３０は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０との間に位置する。非磁性層３０は、磁気記録層２０の第２面２０ｂに積層される。第２面２０ｂは、第１面２０ａと対向する面である。

非磁性層３０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、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、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３０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３０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。さらに、非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等である。

非磁性層３０の厚みは、２０Å以上であることが好ましく、３０Å以上であることがより好ましい。非磁性層３０の厚みが厚いと、記録素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。記録素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０^５Ωμｍ^２以上であることが好ましく、１×１０^６Ωμｍ^２以上であることがより好ましい。記録素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの記録素子１００の素子抵抗と記録素子１００の素子断面積（非磁性層３０をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。

「第１強磁性層」
第１強磁性層１０は、非磁性層３０の＋ｚ方向に位置する。第１強磁性層１０は、非磁性層３０に面する。第１強磁性層１０は、ｚ方向から見て、第１電極４０及び第２電極５０の一部と重なる部分を有する。第１強磁性層１０は、ｚ方向から見て、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２と一部で重なる。

第１強磁性層１０は、一方向に配向した磁化Ｍ_１０を有する磁化固定層である。磁化Ｍ_１０の配向方向は、第１電極４０の磁化Ｍ_４０の配向方向と反対である。磁化固定層は、所定の外力が印加された際に磁化の向きが磁気記録層２０よりも変化しにくい。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１強磁性層１０は、強磁性体を含む。第１強磁性層１０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強磁性層１０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強磁性層１０の膜厚は、第１強磁性層１０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１０の膜厚を薄くすると、第１強磁性層１０と他の層（非磁性層３０）との界面で、第１強磁性層１０に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を付加できる。第１強磁性層１０の磁化が、ｚ方向に配向しやすくなる。

第１強磁性層１０の磁化は、一例としてｚ方向に固定される。ｚ方向に磁化を固定する際には、第１強磁性層１０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積層体とすることが好ましく、中間層としてＩｒ、Ｒｕからなる群から選択された非磁性体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１強磁性層１０の磁化はより強く垂直方向に固定することができる。

第１強磁性層１０は、ＳＡＦ構造でもよい。第１強磁性層１０の非磁性層３０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を有してもよい。第１強磁性層１０と反強磁性層とが反強磁性カップリングすると、第１強磁性層１０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実施形態にかかる半導体装置は、各層を積層し、各層を所定の形状に加工して得られる。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。

第１実施形態にかかる記憶素子１００において、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広くなると、記憶素子１００の抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）が広がる。

記憶素子１００は、非磁性層３０を挟む２つの強磁性体（第１強磁性層１０及び磁気記録層２０）の磁化の相対角の違いに基づき、抵抗値が変化する。第１強磁性層１０は、ｚ方向からの平面視で、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２まで至る。したがって、記憶素子１００の抵抗値は、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２及び第３領域Ｒ３の磁化の向きによって決まる。一方で、上述のように、磁壁２７は、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２には侵入しにくい。つまり、磁化の方向が固定された第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２は、記憶素子１００において“０”及び“１”のデータの基準抵抗には大きな影響を及ぼすが、記憶素子１００の抵抗変化に与える影響は第３領域Ｒ３と比較して小さい。

記憶素子１００は、磁壁２７が第１領域Ｒ１に近づくほど抵抗値は小さくなり、磁壁２７が第２領域Ｒ２に近づくほど抵抗値は大きくなる。磁気記録層２０における第１領域Ｒ１が占める面積が大きくなると、記憶素子１００の最小の抵抗値が大きくなる。また、磁気記録層２０における第２領域Ｒ２が占める面積が大きくなると、記憶素子１００の最大の抵抗値が小さくなる。記憶素子１００は、最大の抵抗値が小さくなる場合より、最小の抵抗値が大きくなる場合の方が、抵抗変化幅を大きくできる。

以下、具体的な一例を示し、説明する。まず仮定条件として、磁壁２７が無く、第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と磁気記録層２０の磁化Ｍ_２８とが全領域において完全平行な場合に記憶素子１００が示す抵抗値を１００Ω、磁壁２７が無く、第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と磁気記録層２０の磁化Ｍ_２９とが全領域において完全反平行な場合に記憶素子１００が示す抵抗値を２００Ωとする。この場合、記憶素子１００は、最大で１００Ωの抵抗変化幅を有する。一方で、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２が存在する場合、磁壁２７の移動範囲は第３領域Ｒ３に限定されているため、第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と磁気記録層２０の磁化Ｍ_２８、Ｍ_２９とが、完全平行及び完全反平行の状態は取り得ない。すなわち、記憶素子１００の抵抗変化幅は、１００Ωを下回る。

まず比較例１として、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２がそれぞれ磁気記録層２０の１０％ずつの領域を占める場合における記憶素子１００の抵抗変化幅を求める。記憶素子１００は、磁壁２７が第１領域Ｒ１と第３領域Ｒ３との境界にある場合に最小の抵抗値を示し、磁壁２７が第２領域Ｒ２と第３領域Ｒ３との境界にある場合に最大の抵抗値を示す。記憶素子１００が最小の抵抗値を示す際、磁気記録層２０の９０％の磁化Ｍ_２８は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と平行となり、磁気記録層２０の１０％の磁化Ｍ_２９は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と反平行となる。記憶素子１００が示す最小抵抗値は、１０５．３Ωである。一方で、記憶素子１００が最大の抵抗値を示す際、磁気記録層２０の１０％の磁化Ｍ_２８は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と平行となり、磁気記録層２０の９０％の磁化Ｍ_２９は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と反平行となる。記憶素子１００が示す最大抵抗値は、１８１．８Ωである。記憶素子１００の抵抗変化幅は７６．６Ωであり、記憶素子１００のＭＲ比は７２．７である。

次いで、比較例２として、第１領域Ｒ１が磁気記録層２０の５％の領域を占め、第２領域Ｒ２が磁気記録層２０の１５％の領域を占める場合における記憶素子１００の抵抗変化幅を求める。記憶素子１００が最小の抵抗値を示す際、磁気記録層２０の９５％の磁化Ｍ_２８は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と平行となり、磁気記録層２０の５％の磁化Ｍ_２９は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と反平行となる。記憶素子１００が示す最小抵抗値は、１０２．６Ωである。一方で、記憶素子１００が最大の抵抗値を示す際、磁気記録層２０の１５％の磁化Ｍ_２８は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と平行となり、磁気記録層２０の８５％の磁化Ｍ_２９は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と反平行となる。記憶素子１００が示す最大抵抗値は、１７３．９Ωである。記憶素子１００の抵抗変化幅は７１．３Ωであり、記憶素子１００のＭＲ比は６９．６である。

最後に、実施例１として、第１領域Ｒ１が磁気記録層２０の１５％の領域を占め、第２領域Ｒ２が磁気記録層２０の５％の領域を占める場合における記憶素子１００の抵抗変化幅を求める。記憶素子１００が最小の抵抗値を示す際、磁気記録層２０の８５％の磁化Ｍ_２８は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と平行となり、磁気記録層２０の１５％の磁化Ｍ_２９は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と反平行となる。記憶素子１００が示す最小抵抗値は、１０５．３Ωである。一方で、記憶素子１００が最大の抵抗値を示す際、磁気記録層２０の５％の磁化Ｍ_２８は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と平行となり、磁気記録層２０の９５％の磁化Ｍ_２９は第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０と反平行となる。記憶素子１００が示す最大抵抗値は、１９０．５Ωである。記憶素子１００の抵抗変化幅は８２．４Ωであり、記憶素子１００のＭＲ比は７６．２である。

実施例１、比較例１及び比較例２に示すように、磁気記録層２０における第１領域Ｒ１が占める割合と第２領域Ｒ２が占める割合とを変動させると、記憶素子１００の抵抗変化幅及びＭＲ比が変動する。実施例１は、磁気記録層２０における第１領域Ｒ１が占める割合が、第２領域Ｒ２が占める割合より大きいため、比較例１及び比較例２より記憶素子１００の抵抗変化幅及びＭＲ比が大きい。この関係は、この例に限られるものではなく、磁気記録層２０における第１領域Ｒ１の占める割合が第２領域Ｒ２の占める割合より多いという前提の上で、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２が占めるパーセンテージを変動させた場合、及び、仮定条件として設定した抵抗値の値を変動しても変わらない。

すなわち、第１実施形態にかかる記憶素子１００は、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、記憶素子１００の抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）が広い。

記憶素子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、半導体装置２００は、脳を模倣したニューロモロフィックデバイスとして機能する。

記憶素子１００の第１強磁性層１０、磁気記録層２０、第１電極４０のそれぞれの磁化の向きは、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。

例えば、磁気記録層２０の第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３のそれぞれの磁化の配向方向を測定する場合を例に、具体的に説明する。まず記憶素子１００をｚ方向から研削し、第１強磁性層１０を除去する。非磁性層３０は、磁気記録層２０の磁化の配向方向に与える影響が大きいため、非磁性層３０の一部を残す。次いで、磁気記録層２０の磁化Ｍ_２８，Ｍ_２９が一方向に配向するのに十分な磁場を所定の方向に印加する。そして、印加磁場を少しずつ小さくしながら、磁化曲線を測定する。測定箇所は、第１領域Ｒ１、第２領域Ｒ２、第３領域Ｒ３のそれぞれのｘｙ平面における中心位置とする。測定した磁化曲線において、最初に印加磁場がゼロとなった時点における磁化の正負によって磁化の向きを特定できる。第１強磁性層１０及び第１電極４０の磁化の向きも、同様に行うことで測定できる。

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。

（第１変形例）
図４は、第１実施形態にかかる半導体装置の第１変形例の平面模式図である。図４に示す記憶素子１００Ａは、第１電極４１及び第２電極５１のｚ方向からの平面視形状が円形である点が、図３に示す記憶素子１００と異なる。その他の構成は、図３に示す記憶素子１００と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

磁気記録層２０は、ｚ方向からの平面視で、第１電極４１及び第２電極５１と重なる。図４に示す第１部分Ｒ１ａの面積は、第２部分Ｒ２ａの面積より広い。図４に示す例では、第１部分Ｒ１ａと磁気記録層２０とが重なる部分のｘ方向の最大の幅ｗ_ｘ１が、第２部分Ｒ２ａと磁気記録層２０とが重なる部分のｘ方向の最大の幅ｗ_ｘ２より広い。第１変形例にかかる記憶素子１００Ａにおいても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、記憶素子１００Ａの抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。また第１電極４１及び第２電極５１のｚ方向からの平面視形状は、図３に示す矩形、図４に示す円形に限られず、種々の形状を選択できる。

（第２変形例）
図５は、第１実施形態にかかる半導体装置の第２変形例の断面模式図である。図５に示す記憶素子１００Ｂは、第２電極５２が磁性体である点が、図２に示す記憶素子１００と異なる。その他の構成は、図１に示す記憶素子１００と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

第２電極５２は、磁性体を含む。第２電極５２は、例えば、一方向に配向した磁化Ｍ_５２を有する。第２電極５２の磁化Ｍ_５２の向きは、第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０の向きと同一であり、第１電極４０の磁化Ｍ_４０の向きと反対である。図５に示す磁化Ｍ_５２は、＋ｚ方向に配向する。第２電極５２の保磁力は、磁気記録層２０の第３領域Ｒ３の保磁力より大きい。

第２電極５２は、第１電極４０と同様の構成、材料を用いることができる。例えば、第２電極は、シンセティック反強磁性構造でもよい。

第２変形例にかかる記憶素子１００Ｂにおいても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、半導体装置１００Ｂの抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。第２電極５２の磁化Ｍ_５２は、磁気記録層２０の第２領域Ｒ２の磁化を固定する。第２領域Ｒ２の磁化が固定されることで、磁壁２７が第２領域Ｒ２に侵入することをより抑制できる。

（第３変形例）
図６は、第１実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第３変形例の断面模式図である。図７は、第１実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第３変形例の平面模式図である。図６は、図７のＡ－Ａ面で記憶素子をｘｚ平面で切断した断面図である。記憶素子１００Ｃは、記憶素子のｘ方向の側面の形状が異なる点が、図１に示す記憶素子１００と異なる。その他の構成は、図１に示す記憶素子１００と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

第１強磁性層１１は、磁化Ｍ_１１を有し、ｘ方向に第１側面１１Ｓ１と第２側面１１Ｓ２とを有する。非磁性層３１は、ｘ方向に第１側面３１Ｓ１と第２側面３１Ｓ２とを有する。磁気記録層２１は、ｘ方向に第１側面２１Ｓ１と第２側面２１Ｓ２とを有する。第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１は、第１強磁性層１１、非磁性層３１、磁気記録層２１のそれぞれのｘ方向の二つの側面のうち第１電極４３に近い側面である。第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２は、第１強磁性層１１、非磁性層３１、磁気記録層２１のそれぞれのｘ方向の二つの側面のうち第２電極５３に近い側面である。第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１及び第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２は、ｚ方向に対して傾斜している。第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角θ１を有する。第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角θ２を有する。また傾斜角θ１及びθ２は、接線を引く接点の位置によらず一定でも、接線を引く接点の位置によって変化してもよい。図６に示す傾斜角θ１、θ２は、接線を引く位置によって変化する。

第１電極４３は、磁化Ｍ_４３を有する。第１電極４３は、磁気記録層２０のｙ方向の中心を通りｘｚ平面で切断した切断面において、ｘ方向に第１側面４３Ｓ１と第２側面４３Ｓ２とを有する。第２側面４３Ｓ２は、第１側面４３Ｓ１より第２電極５３に近い位置にある。第１側面４３Ｓ１は、第１傾斜部４３ｐ１と第２部４３ｐ２とを有する。第１傾斜部４３ｐ１は、ｚ方向に対して傾斜する。第１傾斜部４３ｐ１の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角φ１を有する。第１傾斜部４３ｐ１は、第２側面４３Ｓ２よりｚ方向に対する傾斜角が大きい。第１側面４３Ｓ１は、第１傾斜部４３ｐ１と第２部４３ｐ２との境界で不連続に変化する。

第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１及び第１傾斜部４３ｐ１は、連続する。例えば、ＸＺ平面において、第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１及び第１傾斜部４３ｐ１を、連続する直線又は曲線で漸近線を描ける場合は、連続的に変化しているとみなせる。

第２電極５３は、磁気記録層２０のｙ方向の中心を通りｘｚ平面で切断した切断面において、ｘ方向に第１側面５３Ｓ１と第２側面５３Ｓ２とを有する。第２側面５３Ｓ２は、第１側面５３Ｓ１より第１電極４３に近い位置にある。第１側面５３Ｓ１は、第１傾斜部５３ｐ１と第２部５３ｐ２とを有する。第１傾斜部５３ｐ１は、ｚ方向に対して傾斜する。第１傾斜部５３ｐ１の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角φ２を有する。第１傾斜部５３ｐ１は、第２側面５３Ｓ２よりｚ方向に対する傾斜角が大きい。第１側面５３Ｓ１は、第１傾斜部５３ｐ１と第２部５３ｐ２との境界で不連続に変化する。第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２及び第１傾斜部５３ｐ１は、連続する。

第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１、第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２及び第１傾斜部４３ｐ１、５３ｐ１は、磁気記録層２０、非磁性層３０及び第１強磁性層１０を順に積層したのち、これらのｘ方向の端部の一部を除去して形成される。端部の加工は、イオンミリング、フォトリソグラフィー等で行う。磁化は、一般に結晶粒、表面状態、段差、エッチングダメージ等により状態が異なる領域では値が異なり、相互に影響を及ぼし合う。ｘ方向の端部の除去された後に露出する部分は、ダメージを受ける。ダメージを受けた部分は、表面状態等が変化するため、ピニングサイトとなる場合がある。ピニングサイトは、磁化が動きにくくなる部分である。ダメージにより磁化が動きにくくなるピニングサイトは、隣接する領域に影響を及ぼし磁化をより強く固定する効果を持つ。磁気記録層２０の第１側面２１Ｓ１は、ピニングサイトとなり、第１領域Ｒ１の磁化をより固定する。第１電極４３の第１傾斜部４３ｐ１は、ピニングサイトとなり、第１電極４３の磁化Ｍ_４３をより固定する。磁気記録層２０の第１側面２１Ｓ１は、ピニングサイトとなり、第１領域Ｒ１の磁化をより固定する。磁気記録層２０の第２側面２１Ｓ２は、ピニングサイトとなり、第２領域Ｒ２の磁化をより固定する。すなわち、第１電極４３、第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の磁化は、第１傾斜部４３ｐ１、第１側面２１Ｓ及び第２側面２１Ｓ２を有さない場合と比較して、反転しにくくなる。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の磁化の固定がより強くなる（磁化が反転しにくくなる）ことで、磁壁２７は第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２へ侵入しづらくなる。

第３変形例にかかる記憶素子１００Ｃにおいても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、記憶素子１００Ｃの抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。

なお、第３変形例では、記憶素子１００Ｃのｘ方向の両方の側面が傾斜している場合を示したが、いずれか一方の側面のみが傾斜していてもよい。また第２電極５３は、磁性体を含んでもよい。

（第４変形例）
図８は、第１実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の第４変形例の断面模式図である。図８に示す記憶素子１００Ｄは、第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１と第１傾斜部４３ｐ１とが不連続であり、第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２と第１傾斜部５３ｐ１とが不連続である点が、図８に示す第３変形例にかかる記憶素子１００Ｃと異なる。その他の構成は、図８に示す第３変形例にかかる記憶素子１００Ｃと同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

エッチングレートの違いにより第１側面１１Ｓ１、３１Ｓ１、２１Ｓ１と第１傾斜部４３ｐ１とは、不連続になる場合がある。同様に第２側面１１Ｓ２、３１Ｓ２、２１Ｓ２と第１傾斜部５３ｐ１とは、不連続になる場合がある。

第４変形例にかかる記憶素子１００Ｄにおいても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、記憶素子１００Ｄの抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。

また磁気記録層２０の第１側面２１Ｓ１、第２側面２１Ｓ２及び第１傾斜部４３ｐ１は、ピニングサイトとなる。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の磁化の固定がより強くなる（磁化が反転しにくくなる）ことで、磁壁２７は第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２へ侵入しづらくなる。

また第４変形例では、記憶素子１００Ｄのｘ方向の両方の側面が傾斜している場合を示したが、いずれか一方の側面のみが傾斜していてもよい。また第２電極５３は、磁性体を含んでもよい。

（第５変形例）
図９は、第１実施形態にかかる記憶素子の第５変形例の断面模式図である。図９に示す記憶素子１００Ｅは、第１電極４４及び第２電極５４の形状が、図６に示す第３変形例にかかる記憶素子１００Ｃと異なる。その他の構成は、図６に示す第３変形例にかかる記憶素子１００Ｃと同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

第１電極４４は、磁化Ｍ_４４を有する。第１電極４４は、磁気記録層２０のｙ方向の中心を通りｘｚ平面で切断した切断面において、ｘ方向に第１側面４４Ｓ１と第２側面４４Ｓ２とを有する。第２側面４４Ｓ２は、第１側面４４Ｓ１より第２電極５４に近い位置にある。第１側面４４Ｓ１は、第１傾斜部４４ｐ１と第２傾斜部４４ｐ２とを有する。第１傾斜部４４ｐ１及び第２傾斜部４４ｐ２は、ｚ方向に対して傾斜する。第１傾斜部４４ｐ１の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角φ３を有する。第２傾斜部４４ｐ２の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角φ４を有する。第１傾斜部４４ｐ１は、第２側面４４Ｓ２よりｚ方向に対する傾斜角が大きい。第１側面４４Ｓ１は、第１傾斜部４４ｐ１と第２傾斜部４４ｐ２との境界で不連続に変化する。

第２電極５４は、ｘｚ平面で切断した切断面において、ｘ方向に第１側面５４Ｓ１と第２側面５４Ｓ２とを有する。第２側面５４Ｓ２は、第１側面５４Ｓ１より第１電極４４に近い位置にある。第１側面５４Ｓ１は、第１傾斜部５４ｐ１と第２傾斜部５４ｐ２とを有する。第１傾斜部５４ｐ１及び第２傾斜部５４ｐ２は、ｚ方向に対して傾斜する。第１傾斜部５４ｐ１の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角φ５を有する。第２傾斜部５４ｐ２の接線は、例えば、ｚ方向に対して傾斜角φ６を有する。第１傾斜部５４ｐ１は、第２側面５４Ｓ２よりｚ方向に対する傾斜角が大きい。第１側面５４Ｓ１は、第１傾斜部５４ｐ１と第２傾斜部５４ｐ２との境界で不連続に変化する。

第５変形例にかかる記憶素子１００Ｅにおいても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、記憶素子１００Ｅの抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。

また磁気記録層２０の第１側面２１Ｓ１、第２側面２１Ｓ２及び第１傾斜部４４ｐ１は、ピニングサイトとなる。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の磁化の固定がより強くなる（磁化が反転しにくくなる）ことで、磁壁２７の第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２への侵入しづらくなる。

また第５変形例では、記憶素子１００Ｅのｘ方向の両方の側面が傾斜している場合を示したが、いずれか一方の側面のみが傾斜していてもよい。また第１電極４４及び第２電極５４のｘｚ切断面における形状は、＋ｚ方向の上底の長さが－ｚ方向の下底の長さより短い台形に限られず、＋ｚ方向の上底の長さが－ｚ方向の下底の長さより長い台形でもよい。また第２電極５４は、磁性体を含んでもよい。

［第２実施形態］
図１０は、第２実施形態にかかる半導体装置の断面模式図である。図１０に示す半導体装置２０１は、第１強磁性層１０が磁気記録層２０より基板６０の近くに位置するボトムピン構造である点が、第１実施形態にかかる半導体装置２００と異なる。その他の構成は、図１に示す半導体装置２００と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

図１１は、第２実施形態にかかる半導体装置の記憶素子の断面模式図である。半導体装置１０１は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０と第１電極４０と第２電極５０とを有する。第１電極４０と第２電極５０の間には、絶縁層８１が設けられている。

絶縁層８１は、第１実施形態における絶縁層８０と同様のものが用いられる。絶縁層８１は、磁気記録層２０の非磁性層３０側の面と反対側の面に形成されている。絶縁層８１は、磁気記録層２０の第３領域Ｒ３を覆う。絶縁層８１は、キャップ層としても機能する。キャップ層は、磁気記録層２０の磁化の配向性を高め、磁気記録層２０を保護するための層である。キャップ層が絶縁体であることで、磁壁２７を駆動するための電流が絶縁層８１側に分流することが避けられる。

ボトムピン構造の半導体装置１０１は、以下の手順で作製される。まず基板６０上に第１トランジスタＴｒ１、第２トランジスタＴｒ２、第３トランジスタＴｒ３、第１配線Ｃｍ、第２配線Ｗｐ及び第３配線Ｒｐを絶縁層８０を介して形成する。そして、絶縁層８０の一面に、第１強磁性層１０、非磁性層３０及び磁気記録層２０を順に積層し、それぞれの層を所定の形状に加工する。そして第１強磁性層１０、非磁性層３０及び磁気記録層２０の周囲を更に絶縁層８０で覆う。磁気記録層２０及び絶縁層８０の表面を平坦化した後、第１電極４０及び第２電極５０を形成する。そして第１電極４０及び第２電極５０の間を絶縁層８１で埋めることで、半導体装置２０１が得られる。

第２実施形態にかかる記憶素子１０１においても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａの面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａの面積より広いため、記憶素子１０１の抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。

第２実施形態にかかる記憶素子１０１は、第１実施形態にかかる記憶素子１００と同様の変形例を選択できる。

（第６変形例）
図１２は、第２実施形態にかかる記憶素子の第６変形例の断面模式図である。図１２に示す記憶素子１０１Ｂは、第１電極４５及び第２電極５５の形状、磁壁移動層２０の第１部分Ｒ１ａ’及び第２部分Ｒ２ａ’の形状、及び、第１電極４５及び第２電極５５と絶縁層８１との関係が、図１１に示す第２実施形態にかかる記憶素子１０１と異なる。その他の構成は、図１１に示す第２実施形態にかかる記憶素子１０１と同様であり、同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

磁壁移動層２０の第１領域Ｒ１は、第１部分Ｒ１ａ’を有する。第１部分Ｒ１ａ’は、第１領域Ｒ１において第１電極４５と対向する面である。第１部分Ｒ１ａ’は、例えば、第１領域Ｒ１において第１電極４５と接する面である。磁壁移動層２０の第２領域Ｒ２は、第２部分Ｒ２ａ’を有する。第２部分Ｒ２ａ’は、第２領域Ｒ２において、第２電極５０と対向する面である。第２部分Ｒ２ａ’は、例えば、第２領域Ｒ２において第２電極５５と接する面である。第１部分Ｒ１ａ’の面積は、第２部分Ｒ２ａ’の面積より広い。第１部分Ｒ１ａ’及び第２部分Ｒ２ａ’は、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。磁壁移動層２０のｚ方向の表面である第１面２０ａと第１部分Ｒ１ａ’及び第２部分Ｒ２ａ’は、不連続である。第１部分Ｒ１ａ’及び第２部分Ｒ２ａ’は、絶縁層８１の一部を除去する際に磁壁移動層２０の一部がミリングされ、形成される。

また磁気記録層２０の第１部分Ｒ１ａ’及び第２部分Ｒ２ａ’は、ピニングサイトとなる。第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２の磁化の固定がより強くなる（磁化が反転しにくくなる）ことで、磁壁２７の第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２への侵入しづらくなる。

第１電極４５及び第２電極５５は、磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した切断面において、表面４５ａ、５５ａが円弧状の凸形状である。第１電極４５及び第２電極５５は、表面張力により表面が円弧状に形成される場合がある。

絶縁層８１の表面８１ａは、第１電極４５及び第２電極５５の表面４５ａ、５５ａの少なくとも一部より－ｚ方向に位置する。絶縁層８１のｘ方向の２つの側面８１Ｓ１、８１Ｓ２は、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。側面８１Ｓ１、８１Ｓ２は、ミリングにより形成される。

第６変形例にかかる記憶素子１０１Ｂにおいても、第１領域Ｒ１の第１部分Ｒ１ａ’の面積が第２領域Ｒ２の第２部分Ｒ２ａ’の面積より広いため、記憶素子１０１Ｂの抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。

［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の構成図である。磁気記録アレイ３００は、記憶素子１００と、第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、第１スイッチング素子１１０と、第２スイッチング素子１２０と、第３スイッチング素子１３０とを備える。図１に示す第１配線Ｃｍは、図１２に示す第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎのうちの一つである。図１に示す第２配線Ｗｐは、図１２に示す第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎのうちの一つである。図１に示す第３配線Ｒｐは、図１２に示す第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎのうちの一つである。第１スイッチング素子１１０は、例えば、図１に示す第３トランジスタＴｒ３である。第２スイッチング素子１２０は、例えば、図１に示す第１トランジスタＴｒ１である。第３スイッチング素子１３０は、例えば、図１に示す第２トランジスタＴｒ２である。また記憶素子１００は、図１に示すものに限られず、その他の変形例、その他の実施形態の構成でもよい。

＜第１配線、第２配線、第３配線＞
第１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で用いられる配線である。第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、基準電位と電気的に接続されている。例えば、第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎが接地されている場合、基準電位はグラウンドとなる。また第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の記憶素子１００のうち少なくとも一つの記憶素子１００に接続されている。第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の記憶素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の記憶素子１００に亘って設けられてもよい。

第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、書き込み配線である。第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、複数の記憶素子１００のうち少なくとも２つ以上の記憶素子１００と電気的に接続されている。第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、磁気記録アレイ３００の使用時に、電源と接続される。

第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、読み出し配線である。第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、複数の記憶素子１００のうち少なくとも１つ以上の記憶素子１００と電気的に接続されている。第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、磁気記録アレイ３００の使用時に、電源と接続される。

＜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＞
第１スイッチング素子１１０は、記憶素子１００のそれぞれと第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、記憶素子１００のそれぞれと第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、記憶素子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、所定の記憶素子１００に接続された第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ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、所定の記憶素子１００に接続された第１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。例えば、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として、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もの、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もの、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もの、原子位置の変化に伴い伝導性が変化するもの等を用いることができる。

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、一つの第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎ又は一つの第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎに接続された記憶素子１００で、共用してもよい。例えば、いずれかの第２配線Ｗｐｎの上流側に一つの第２スイッチング素子１２０を設けてもよい。また例えば、いずれかの第３配線Ｒｐｎの上流側に一つの第３スイッチング素子１３０を設けてもよい。各記憶素子１００に接続された第１スイッチング素子１１０のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、特定の記憶素子１００を選択できる。

磁気記録アレイ３００は、記憶素子１００が複数集積されている。それぞれの記憶素子１００の抵抗変化の幅（ダイナミックレンジ）は広い。したがって、それぞれの記憶素子１００が記録するデータのノイズによる影響が抑制され、磁気記録アレイ３００のデータの信頼性がより高まる。

１０、１１ 第１強磁性層
２０、２１ 磁気記録層
２７ 磁壁
２８ 第１磁区
２９ 第２磁区
３０、３１ 非磁性層
４０、４１、４３、４４、４５ 第１電極
５０、５１、５２、５３、５４、５５ 第２電極
６０ 基板
７０ 層間絶縁膜
８０ 絶縁層
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１０１ 半導体装置
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
２０ａ、４０ａ、５０ａ、６０ａ 第１面
２０ｂ 第２面
１１Ｓ１、２１Ｓ１、３１Ｓ１、４３Ｓ１、４４Ｓ１、５３Ｓ１、５４Ｓ１ 第１側面
１１Ｓ２、２１Ｓ２、３１Ｓ２、４３Ｓ２、４４Ｓ２、５３Ｓ２、５４Ｓ２ 第２側面
４３ｐ１、４４ｐ１、５３ｐ１、５４ｐ１ 第１傾斜部
４３ｐ２、５３ｐ２ 第２部
４４ｐ２、５４ｐ２ 第２傾斜部
Ｒ１ 第１領域
Ｒ１ａ、Ｒ１ａ’ 第１部分
Ｒ２ａ、Ｒ２ａ’ 第２部分
Ｒ２ 第２領域
Ｒ３ 第３領域
Ｍ_１０、Ｍ_１１、Ｍ_２８、Ｍ_２９、Ｍ_４０、Ｍ_４３、Ｍ_４４、Ｍ_５２ 磁化
Ｃｍ１～Ｃｍｎ 第１配線
Ｗｐ１～Ｗｐｎ 第２配線
Ｒｐ１～Ｒｐｎ 第３配線

Claims (7)

1. 第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層に対して第１方向に位置し、第２方向に延びる磁気記録層と、
   前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、
   前記磁気記録層の前記非磁性層と反対側に位置し、前記第１方向において前記磁気記録層の一部とそれぞれ重なる第１電極と第２電極と、を備え、
   前記第１電極は、前記第１強磁性層の磁化の向きと異なる方向に磁化が配向した磁性体を含み、
   前記磁気記録層は、前記第１電極及び前記第１強磁性層と前記第１方向において重なる第１領域と、前記第２電極及び前記第１強磁性層と前記第１方向において重なる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とに挟まれる第３領域とを有し、
   前記第１領域の前記第１電極と対向する第１部分の面積は、前記第２領域の前記第２電極と対向する第２部分の面積より広く、
   前記第１強磁性層は、前記第１方向において前記第１電極及び前記第２電極の一部と重なり、
   前記磁気記録層の前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向の中心を通り、前記第１方向及び前記第２方向に広がる切断面において、
   前記第１電極は、第１側面と、前記第１側面より前記第２電極の近くに位置する第２側面と、を有し、
   前記第１側面は、前記第２側面の前記第１方向に対する傾斜角より大きな傾斜角を有する部分を有する、磁壁移動素子。
2. 第１強磁性層と、
   前記第１強磁性層に対して第１方向に位置し、第２方向に延びる磁気記録層と、
   前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に位置する非磁性層と、
   前記磁気記録層の前記非磁性層と反対側に位置し、前記第１方向において前記磁気記録層の一部とそれぞれ重なる第１電極と第２電極と、を備え、
   前記第１電極は、前記第１強磁性層の磁化の向きと異なる方向に磁化が配向した磁性体を含み、
   前記磁気記録層は、前記第１電極及び前記第１強磁性層と前記第１方向において重なる第１領域と、前記第２電極及び前記第１強磁性層と前記第１方向において重なる第２領域と、前記第１領域と前記第２領域とに挟まれる第３領域とを有し、
   前記第１領域の前記第１電極と対向する第１部分の面積は、前記第２領域の前記第２電極と対向する第２部分の面積より広く、
   前記第１強磁性層は、前記第１方向において前記第１電極及び前記第２電極の一部と重なり、
   前記磁気記録層の前記第１方向及び前記第２方向に直交する第３方向の中心を通り、前記第１方向及び前記第２方向に広がる切断面において、
   前記第１電極は、第１側面と、前記第１側面より前記第２電極の近くに位置する第２側面と、を有し、
   前記第１側面は、前記第１方向に対する傾きが不連続に変化する部分を有する、磁壁移動素子。
3. 前記第２電極は、前記第１強磁性層の磁化の向きと同じ方向に磁化が配向した磁性体を含む、請求項１又は２に記載の磁壁移動素子。
4. 基板をさらに有し、
   前記第１強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板の近くに位置する、請求項１又は２に記載の磁壁移動素子。
5. 前記磁気記録層の前記第３領域を覆う絶縁層をさらに有する、請求項４に記載の磁壁移動素子。
6. 基板をさらに有し、
   前記第１強磁性層は、前記磁気記録層より前記基板から遠い位置にある、請求項１又は２に記載の磁壁移動素子。
7. 請求項１～６のいずれか一項に記載の磁壁移動素子を複数有する、磁気記録アレイ。

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