(57)【要約】【課題】予期できない磁化反転を防止すること。【解決手段】磁壁移動型ストレージデバイスは、強磁性金属（例えば、ＮｉＦｅ）に不純物元素（例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｗ；強磁性金属細線の保磁力を変調する元素）を添加することにより磁場に対する磁壁の動き易さを調整した強磁性金属細線（例えば、ＮｉＦｅＰｔ細線）を有し、かかる強磁性金属細線に電位パルスを印加することで情報を記録することで、予期できない磁化反転を防止する。【選択図】        図４
2010010605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性細線を有し、
前記磁性細線に電圧が印加されることで前記磁壁の位置が移動制御され、当該磁壁に隣接する磁気記録層の磁化方向が反転されることで情報を記録すること
を特徴とする磁気メモリ素子。
【請求項２】
前記不純物元素は、前記磁性細線の保持力が変調する元素であることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ素子。
【請求項３】
不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性細線を有する磁気メモリ素子を備え、
前記磁気メモリ素子の磁性細線に電圧を印加することで前記磁壁の位置を移動制御し、当該磁壁に隣接する磁気記録層の磁化方向を反転させることで情報を記録すること
を特徴とする磁気メモリ装置。
【請求項４】
前記不純物元素は、前記磁性細線の保持力が変調する元素であることを特徴とする請求項３に記載の磁気メモリ装置。
【請求項５】
製造装置が、
不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性材料細線を基板上に形成するステップと、
各磁性材料細線の間に記録層を形成するステップと、
を含んだことを特徴とするメモリ素子製造方法。
【請求項６】
前記不純物元素は、前記磁性材料細線の保磁力が変調する元素であることを特徴とする請求項５に記載のメモリ素子製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、磁気メモリ素子、磁気メモリ装置およびメモリ素子製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、現行のＤＲＡＭ（Dynamic  Random  Access  Memory）、あるいはフラッシュ（ＦＬＡＳＨ）メモリに代わる次世代の超大容量不揮発性メモリの研究開発が活発に行われている。超大容量不揮発性メモリの候補として、誘電体を利用したＦｅＲＡＭ（Ferroelectric  Random  Access  Memory）、メモリを構成する絶縁体の相変化を利用したＰＲＡＭ（Phase  change  RAM）、ＴＭＲ（Tunncling  MggnetoResistive）効果を利用したＭＲＡＭ（Magnetoresistive  Random  Access  Memory）、パルス電流の印加方向によって生じる巨大な抵抗変化を利用したＲＲＡＭ（Resistance  Random  Access  Memory）等が挙げられる。
【０００３】
しかし、上記のメモリデバイスはいずれもその性能が一長一短であるため、現行のメモリデバイスに置き換えるには至っていない。
【０００４】
一方、最近になって、スピン注入による磁壁移動現象（非特許文献１参照）と、ＴＭＲ効果とを利用して大容量ストレージメモリを実現しようとするレーストラックメモリと呼ばれるアイデアが発表されている（非特許文献２参照）。また、その他にも、磁壁移動現象およびＴＭＲ効果を利用したストレージメモリも検討されている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００５】
なお、これまでの磁壁移動型ストレージデバイスでは、磁壁の位置を制御するために、ノッチ（くびれ；非特許文献３参照）、Zig-Zag（ジグザグ；非特許文献４参照）、ラチェット（非特許文献５参照）、段差構造（非特許文献６参照）など、強磁性金属細線の形状を加工することによって磁壁の位置制御を行い、情報を記録していた。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３２４２６９号公報
【特許文献２】特開２００７−３２４１７２号公報
【特許文献３】特開２００７−３１７８９５号公報
【非特許文献１】A.Yamaguchi  et.al.,Phys.Rev.Lett.,92,077205(2004)
【非特許文献２】Patent  No.  US  6,834,005  B1.Parkin(IBM)
【非特許文献３】M.Hayashi  et.,al.,Phys.Rev.Lett.,97,207205(2006)
【非特許文献４】Y.Togawa  et.al.,J.J.Appl.Phys.,45,L683-L685(2006)
【非特許文献５】A.Himeno  et.al.,Appl.Phys.Lett.,87,243108(2005)
【非特許文献６】Intermag2008,Digest  p.1268/GT-18.Current  induced  domain  wall  motion  with  step  structure.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、磁壁移動型ストレージデバイスにおいて、磁壁の位置制御を行うべく強磁性金属細線に電圧パルスを印加し続けると、本来は磁壁が存在しないノッチ部分（例えば、強磁性金属細線の電流密度が増加する部分）に複数磁壁が生成されてしまい、かかる磁壁の影響で予期できない磁化反転が生じるという問題があった。このような予期できない磁化反転は、素子のメモリ動作上大きな問題である。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するためになされたものであり、予期できない磁化反転を防止することができる磁気メモリ素子、磁気メモリ装置およびメモリ素子製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、この磁気メモリ素子は、不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性細線を有し、前記磁性細線に電圧が印加されることで前記磁壁の位置が移動制御され、当該磁壁に隣接する磁気記録層の磁化方向が反転されることで情報を記録することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この磁気メモリ素子によれば、不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動き易さを調整した強磁性金属細線を有するので、強磁性金属細線の構造を変えることなく磁壁の位置を制御することが可能となり、予期できない磁化反転を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る磁気メモリ素子、磁気メモリ装置およびメモリ素子製造方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。
【実施例】
【００１２】
まず、磁壁移動型ストレージデバイスに用いられる強磁性金属細線について説明する。本実施例では強磁性金属細線の一例として、Ｎｉ８０Ｆｅ２０（以下、単にＮｉＦｅ）細線を用いて説明する。図１は、等間隔にノッチを導入したＮｉＦｅ細線のＳＥＭ（Scanning  Electron  Microscope）像を示す図であり、図２は、電圧パルスを印加したときのＮｉＦｅ細線のＭＦＭ（Magnetic  Force  Microscope）像を示す図であり、図３は、従来の磁壁移動型ストレージデバイスの問題点を説明するための図である。
【００１３】
図１に示すＮｉＦｅ細線に電圧パルスを印加することにより、ＮｉＦｅ細線中の磁壁の位置を制御することができる。ＮｉＦｅ細線中の磁壁が移動すると、移動した磁壁に隣接する磁気記録層の長手方向（ＮｉＦｅ細線に対して長手方向）の磁化方向が磁壁側に変化する。かかる磁化方向によって、磁壁移動型ストレージデバイスは、情報を記憶する。
【００１４】
また、図２に示すように、ＮｉＦｅ細線中に電圧を印加すると、電圧を印加することにより流れる電流とは逆向き（電子スピンの流れる方向）にHead  to  Headの磁壁が移動する。なお、従来では、電圧パルスをＮｉＦｅ細線に印加した場合の磁壁の移動距離を調整するために、ＮｉＦｅ細線の構造を変化させている。例えば、ＮｉＦｅ細線の断面が太い領域では、磁壁は動き易くなり、ＮｉＦｅ細線の断面が細い領域あるいはＮｉＦｅ細線が曲がっている領域では、磁壁は動きにくくなる。
【００１５】
しかしながら、図３に示すように、ＮｉＦｅ細線に繰り返し同一の電圧パルスを印加し続けると、本来は磁壁の存在しないノッチ部分（例えば、ＮｉＦｅ細線の断面が細くなり、電流密度が増加する部分）に複数磁壁が生成されていまい、かかる磁壁の影響で予期できない磁化反転が生じてしまうという問題があった。
【００１６】
次に、本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの特徴について説明する。本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの強磁性金属細線（ＮｉＦｅ細線）は、強磁性金属（ＮｉＦｅ）に不純物元素（例えば、Ｐｔ＜Platinum＞、Ｉｒ＜Iridium＞、Ｒｕ＜Ruthenium＞；強磁金属細線の保磁力が変調（変化）する元素）を添加して作成することで、強磁性金属細線中の磁場に対する磁壁の動き易さ（磁壁のデピニング磁場）を調整する。本実施例では一例として、ＮｉＦｅに不純物元素Ｐｔを添加した場合について説明する。
【００１７】
図４は、ＮｉＦｅに不純物Ｐｔを添加した場合の磁壁の動き易さを説明するための図である。図４の上段に示すように、不純物ＰｔをＮｉＦｅに添加していない場合には、磁壁の移動に要するエネルギーは一定となるので、磁壁は移動しやすくなる。
【００１８】
一方、図４の下段に示すように、不純物ＰｔをＮｉＦｅに添加している場合には、磁壁の移動が不純物Ｐｔによって妨げられるので、磁壁の移動に要するエネルギーは、不純物Ｐｔが存在する位置において大きくなる（磁壁は移動しにくくなる）。例えば、不純物Ｐｔがｘ０の位置に存在する場合には、ｘ０の位置を通過するためエネルギーは、他の位置を通過するためエネルギーよりも大きくなる。
【００１９】
このように、本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスは、強磁性金属に不純物元素を添加することで、強磁性金属細線中の磁壁の動き易さを調整するので、従来のように強磁性金属細線の形状を変化させる必要がなくなり、予期できない磁化反転の発生を防止することができる。なお、磁壁移動型ストレージデバイスに関するその他の構成は、周知の磁壁移動型ストレージデバイスと同様である（強磁性細線に電圧を印加することで、磁壁の位置を移動制御し、磁壁に隣接する磁気記録層の磁化方向を変更することで情報を記憶する）。
【００２０】
次に、本実施例にかかる強磁性金属細線（ＮｉＦｅ細線）の磁壁移動確率について説明する。図５は、磁壁移動確率の測定に用いた測定回路の模式図であり、図６は、磁壁移動確率の測定結果を示す図である。
【００２１】
図５に示すように、この測定回路５０は、電源５１と、パルス発生器５２と、減衰器５３と、抵抗５４と、バイアス５５と、オシロスコープ５６とを有し、パルス発生器５２から出力される電圧パルスが、ＮｉＦｅ細線（不純物Ｐｔを含むＮｉＦｅ細線または不純物Ｐｔを含まないＮｉＦｅ細線）に印加される。測定回路５０は、パルス発生器５２によって、Ｃ２、Ｃ３間に生成される磁壁が、Ｃ１、Ｃ２間に移動する確率を測定する。
【００２２】
なお、測定装置５０による測定は、各パラメータ（印加する磁界Ｈ（Ｏｅ）、印加対象となるＮｉＦｅ細線）につき５０回行い移動確率を算出しており、デピニング磁界は移動確率が５０％となる磁場と定義している。
【００２３】
測定装置５０による測定結果を参照すると、ＮｉＦｅ（飽和磁化Ｍｓ＝１．０６Ｔ）細線では、Ｈ＝１０Ｏｅの磁界によって磁壁がＣ１、Ｃ２に移動する確率が高くなり、Ｐｔを添加したＮｉＦｅＰｔ（飽和磁化Ｍｓ＝０．７６Ｔ）細線では、Ｈ＝４０Ｏｅの磁界によって磁壁がＣ１、Ｃ２に移動する確率が高くなる。すなわち、ＮｉＦｅ細線のデピニング磁界は、ＮｉＦｅ細線のデピニング磁界の約４倍となっている。
【００２４】
次に、ＮｉＦｅおよびＮｉＦｅＰｔ薄膜の飽和磁化（Ｍｓ）と保磁力（Ｈｃ）の関係について説明する。図７は、ＮｉＦｅおよびＮｉＦｅＰｔ薄膜の飽和磁化（Ｍｓ）と保磁力（Ｈｃ）の関係を示す図である。
【００２５】
図７に示すように、薄膜の状態でのＮｉＦｅＰｔ（Ｍｓ＝０．７６Ｔ）のＨｃは、ＮｉＦｅ（Ｍｓ＝１．０６Ｔ）の約４倍となっており、細線に加工したサンプル（ＮｉＦｅ細線、不純物Ｐｔを添加したＮｉＦｅ細線）と同じような大小関係となっている。これは、図４において説明したように、添加された不純物Ｐｔが磁壁の移動を妨げる障壁として作用しているためである。つまり、局所的に非磁性元素（例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｗ）をＮｉＦｅ細線に添加することで、ＮｉＦｅ細線の構造を変えることなく磁壁位置を制御することが可能となる。
【００２６】
次に、本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの製造方法について説明する。図８は、本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの製造方法（１）を示す図であり、図９は、本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの製造方法（２）を示す図である。
【００２７】
製造装置（図示略）は、図８に示すように、磁壁位置制御層（例えば、磁壁位置制御層は、不純物Ｐｔを添加したＮｉＦｅ細線に相当する）６１のラインを基板６０上に形成し（ステップＳ１０１）、磁壁位置制御層６１上にレジスト６２を形成して情報記録層のビット部を露光する（ステップＳ１０２）。
【００２８】
続いて、製造装置は、ステップＳ１０２において露光した部分をエッチングし（ステップＳ１０３）、エッチングした部分に情報記録層（例えば、ＮｉＦｅ）６３を形成し、成膜およびリフトオフを行う（ステップＳ１０４）。
【００２９】
一方、製造装置は、図９に示すように、磁壁位置制御装置６１のラインを基板６０上に形成し、磁壁位置制御層６１上にレジスト６２を形成して情報記録層のビット部を露光し、露光した部分をエッチングする（ステップＳ２０１）。
【００３０】
続いて、製造装置は、エッチングした部分に情報記録装置６３を形成し、成膜およびリフトオフを行う（ステップＳ２０２）。そして、製造装置は、細線を形成する部分以外の領域にレジスト６２を形成して露光した後に、露光した部分のエッチングを行い（ステップＳ２０３）、レジスト６２を取り除くことで最終的なメモリ細線（磁壁位置制御装置６１）が形成される（ステップＳ２０４）。
【００３１】
上述してきたように、本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスは、不純物元素（例えば、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｗ）を添加することにより磁場に対する磁壁の動き易さを調整した強磁性金属細線（例えば、ＮｉＦｅＰｔ細線）を有するので、強磁性金属細線の構造を変えることなく磁壁の位置を制御することが可能となり、予期できない磁化反転を防止することができる。
【００３２】
以上の実施例を含む実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
【００３３】
（付記１）不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性細線を有し、
前記磁性細線に電圧が印加されることで前記磁壁の位置が移動制御され、当該磁壁に隣接する磁気記録層の磁化方向が反転されることで情報を記録すること
を特徴とする磁気メモリ素子。
【００３４】
（付記２）前記不純物元素は、前記磁性細線の保持力が変調する元素であることを特徴とする付記１に記載の磁気メモリ素子。
【００３５】
（付記３）不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性細線を有する磁気メモリ素子を備え、
前記磁気メモリ素子の磁性細線に電圧を印加することで前記磁壁の位置を移動制御し、当該磁壁に隣接する磁気記録層の磁化方向を反転させることで情報を記録すること
を特徴とする磁気メモリ装置。
【００３６】
（付記４）前記不純物元素は、前記磁性細線の保持力が変調する元素であることを特徴とする付記３に記載の磁気メモリ装置。
【００３７】
（付記５）製造装置が、
不純物元素を添加することにより磁場に対する磁壁の動きやすさを調整した磁性材料細線を基板上に形成するステップと、
各磁性材料細線の間に記録層を形成するステップと、
を含んだことを特徴とするメモリ素子製造方法。
【００３８】
（付記６）前記不純物元素は、前記磁性材料細線の保持力が変調する元素であることを特徴とする付記５に記載のメモリ素子製造方法。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】等間隔にノッチを導入したＮｉＦｅ細線のＳＥＭ像を示す図である。
【図２】電圧パルスを印加したときのＮｉＦｅ細線のＭＦＭ像を示す図である。
【図３】従来の磁壁移動型ストレージデバイスの問題点を説明するための図である。
【図４】ＮｉＦｅに不純物Ｐｔを添加した場合の磁壁の動き易さを説明するための図である。
【図５】磁壁移動確率の測定に用いた回路の模式図である。
【図６】磁壁移動確率の測定結果を示す図である。
【図７】ＮｉＦｅおよびＮｉＦｅＰｔ薄膜の飽和磁化（Ｍｓ）と保磁力（Ｈｃ）の関係を示す図である。
【図８】本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの製造方法（１）を示す図である。
【図９】本実施例にかかる磁壁移動型ストレージデバイスの製造方法（２）を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
５０    測定回路
５１    電源
５２    パルス発生器
５３    減衰器
５４    抵抗
５５    バイアス
５６    オシロスコープ
６０    基板
６１    磁壁位置制御層
６２    レジスト
６３    情報記録層
【図１】
2010010605.tif 000003
【図２】
2010010605.tif 000004
【図３】
2010010605.tif 000005
【図４】
2010010605.tif 000006
【図５】
2010010605.tif 000007
【図６】
2010010605.tif 000008
【図７】
2010010605.tif 000009
【図８】
2010010605.tif 000010
【図９】
2010010605.tif 000011