(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体から構成された記憶層と、
前記記憶層に記憶された情報の読み出しに用いる読み出し機構とを具備し、
前記記憶層は、
第１磁化固定領域と、
第２磁化固定領域と、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域との間に設けられた磁壁領域とを備え、
前記磁壁領域は、前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とに隣り合うように設けられ、
前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域は前記磁壁領域に対して互いに反対の方向に固定された磁化を有し、
前記記憶層が垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される
磁気記憶素子。
【請求項２】
請求項１に記載の磁気記憶素子であって、
前記第１磁化固定領域は膜面垂直方向で一方の方向に固定された磁化を有し、
前記第２磁化固定領域は膜面垂直方向で前記一方の方向とは反対の方向へ固定された磁化を有し、
前記磁壁領域においてはブロッホ磁壁が形成される
磁気記憶素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層の膜厚が１０ｎｍ以下、１ｎｍ以上である
磁気記憶素子。
【請求項４】
請求項３に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層の膜厚が８ｎｍ以下である
磁気記憶素子。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記第１磁化固定領域に第１電極層が隣接して設けられ、
前記第２磁化固定領域に第２電極層が隣接して設けられる
磁気記憶素子。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記第１磁化固定領域が第１選択トランジスタに接続され、
前記第２磁化固定領域が第２選択トランジスタに接続される
磁気記憶素子。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層の近傍に設けられ、局所磁場を発生する局所磁場印加機構を更に具備する
磁気記憶素子。
【請求項８】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁壁領域は、前記磁壁領域に形成される磁壁の磁化とは直交する方向の局所磁場を、磁気メモリ全体に磁場を印加する磁石を有する局所磁場印加機構から印加される
磁気記憶素子。
【請求項９】
請求項７に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構は、前記磁壁領域に対して印加する前記局所磁場の方向が前記磁壁領域に形成される磁壁の磁化とは直交する方向である
磁気記憶素子。
【請求項１０】
請求項７に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構は、前記磁壁領域に対して印加する前記局所磁場の方向が前記磁壁領域に形成される磁壁の磁化と反平行方向である
磁気記憶素子。
【請求項１１】
請求項９に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構は、前記記憶層ごとに設けられる磁石層を有する
磁気記憶素子。
【請求項１２】
請求項９に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構は、配線層を有する
磁気記憶素子。
【請求項１３】
請求項１１に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構による前記局所磁場の印加形態が静磁結合である
磁気記憶素子。
【請求項１４】
請求項１３に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁石層の磁気異方性の方向が膜面平行方向である
磁気記憶素子。
【請求項１５】
請求項１３に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁石層の磁気異方性の方向が膜面垂直方向である
磁気記憶素子。
【請求項１６】
請求項１１に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構による局所磁場の印加形態が交換結合である
磁気記憶素子。
【請求項１７】
請求項１６に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁石層は、前記磁石層に隣接した結合層を有する
磁気記憶素子。
【請求項１８】
請求項１２に記載の磁気記憶素子であって、
前記配線層が前記第１磁化固定領域及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一方に電気的に接続される
磁気記憶素子。
【請求項１９】
請求項１０に記載の磁気記憶素子であって、
前記局所磁場印加機構は、導電層を有する
磁気記憶素子。
【請求項２０】
請求項１９に記載の磁気記憶素子であって、
前記導電層は、前記記憶層の上面または下面に隣接して設けられる
磁気記憶素子。
【請求項２１】
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記読み出し機構は、
前記記憶層の近傍に設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層上に設けられた第１磁化固定層とを有する
磁気記憶素子。
【請求項２２】
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記読み出し機構は、
前記磁壁領域に隣接して設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層に隣接して前記磁壁領域とは反対側に設けられた第１磁化固定層とを有する
磁気記憶素子。
【請求項２３】
請求項１乃至２０のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層は、前記記憶層の近傍に設けられた補助記憶層を更に有する
磁気記憶素子。
【請求項２４】
請求項２３に記載の磁気記憶素子であって、
前記読み出し機構は、
前記補助記憶層に隣接して設けられた第１非磁性層と、
前記第１非磁性層に隣接して前記補助記憶層とは反対側に設けられた第１磁化固定層とを有する
磁気記憶素子。
【請求項２５】
請求項２３又は２４に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層は、前記磁壁領域と前記補助記憶層とに挟まれた結合層を更に有する
磁気記憶素子。
【請求項２６】
請求項２３乃至２５のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記補助記憶層の磁気異方性が前記磁壁領域に形成される磁壁の磁化とは直交する方向である
磁気記憶素子。
【請求項２７】
請求項２３乃至２５のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記補助記憶層の磁気異方性が前記磁壁領域に形成される磁壁の磁化と平行方向である
磁気記憶素子。
【請求項２８】
請求項１乃至２３のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記読み出し機構は、ホールクロスを有する
磁気記憶素子。
【請求項２９】
請求項２８に記載の磁気記憶素子であって、
前記ホールクロスは、
前記磁壁領域に隣接して設けられた上部電極と、
前記磁壁領域に隣接し、前記磁壁領域を挟んで前記上部電極と反対側に設けられた下部電極とを備える
磁気記憶素子。
【請求項３０】
請求項２９に記載の磁気記憶素子であって、
前記上部電極、及び前記下部電極のうちの少なくとも一方は、強磁性体により構成される
磁気記憶素子。
【請求項３１】
請求項１乃至３０のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層は、ＰｔまたはＰｄを含有する
磁気記憶素子。
【請求項３２】
請求項２１、２２、２４のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記第１非磁性層に隣接して挿入層が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３３】
請求項１乃至３２のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁壁領域に平面形状の変調が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３４】
請求項１乃至３２のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁壁領域に断面形状の変調が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３５】
請求項１乃至３２のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁壁領域に材料の変調が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３６】
請求項３３に記載の磁気記憶素子であって、
前記平面形状の変調として、前記磁壁領域に狭窄部が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３７】
請求項３３に記載の磁気記憶素子であって、
前記平面形状の変調として、前記記憶層に屈折部が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３８】
請求項３４に記載の磁気記憶素子であって、
前記断面形状の変調として、前記磁壁領域の上面か下面の少なくとも一方に凸部が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項３９】
請求項３４に記載の磁気記憶素子であって、
前記断面形状の変調として、
前記磁壁領域の上面か下面の少なくとも一方に凹部が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項４０】
請求項３５に記載の磁気記憶素子であって、
前記磁壁領域の下地層が前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域の下地層とは異なる
磁気記憶素子。
【請求項４１】
請求項１乃至４０のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層は、前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域の少なくとも一方に磁気的に結合した第２磁化固定層を更に有する
磁気記憶素子。
【請求項４２】
請求項１乃至４１のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記第１磁化固定領域、及び前記第２磁化固定領域はいずれも略平行四辺形に形成され、
膜面内において前記磁壁領域を貫通する方向を第１の方向とし、
前記第１磁化固定領域の平行四辺形における前記第１の方向に平行な辺に対して斜めな辺の方向を第２の方向とし、
前記第２磁化固定領域の平行四辺形における前記第１の方向に平行な辺に対して斜めな辺の方向を第３の方向としたとき、
前記第２の方向及び前記第３の方向における前記第１の方向と直交する成分が同符号である
磁気記憶素子。
【請求項４３】
請求項１乃至４１のいずれか一項に記載の磁気記憶素子であって、
前記第１磁化固定領域と前記第２磁化固定領域とは、構成元素、構造及び形状のうちの少なくとも一つが異なる
磁気記憶素子。
【請求項４４】
請求項４１に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層は、
前記第１磁化固定領域に隣接して一つの前記第２磁化固定層が設けられ、
前記第２磁化固定領域に隣接して別の前記第２磁化固定層が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項４５】
請求項４１に記載の磁気記憶素子であって、
前記記憶層は、前記第１磁化固定領域または前記第２磁化固定領域のいずれか一方に隣接して前記第２磁化固定層が設けられる
磁気記憶素子。
【請求項４６】
請求項４１に記載の磁気記憶素子であって、
前記第２磁化固定層が強磁性体を含む
磁気記憶素子。
【請求項４７】
請求項４１に記載の磁気記憶素子であって、
前記第２磁化固定層が反強磁性体を含む
磁気記憶素子。
【請求項４８】
請求項４１に記載の磁気記憶素子であって、
前記第２磁化固定層は、積層フェリ結合を有する積層膜を含む
磁気記憶素子。
【請求項４９】
請求項４６に記載の磁気記憶素子であって、
前記第２磁化固定層の磁気異方性が前記記憶層の磁気異方性の方向と同じである
磁気記憶素子。
【請求項５０】
請求項４６に記載の磁気記憶素子であって、
前記第２磁化固定層の磁気異方性が前記磁壁領域を貫通する方向である
磁気記憶素子。
【請求項５１】
請求項１乃至５０のいずれか一項に記載の磁気記憶素子を含み行列上に配置された複数のメモリセルと、
前記複数のメモリセルの書き込み及び読み出しを制御する制御回路とを具備する
磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気記憶素子、及び磁気メモリに関する。特に、本発明は磁壁の磁化の反転を利用した磁気記憶素子、及び磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気メモリ、または磁気ランダムアクセスメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ；ＭＲＡＭ）は高速動作、および無限回の書き換えが可能な不揮発性メモリとして期待され、盛んな開発が行われている。磁気メモリは、記憶素子として磁性体を用い、磁性体の磁化の向きに対応させて情報を記憶する。この磁性体の磁化をスイッチングさせる方法としていくつかの方式が提案されている。しかし、いずれの方法も電流を使う点で共通している。磁気メモリを実用化する上では、この書き込み電流をどれだけ小さくできるかが非常に重要である。例えば、ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ｖｏｌ．４２，ｐ．８３０（２００７）によれば、あるセル構成の磁気メモリにおいては、０．５ｍＡ以下への低減、さらに好ましくは０．２ｍＡ以下への低減が求められている。またこれに加えて、磁気メモリをシステムＬＳＩにおける混載メモリへ応用する場合、書き込みに要する時間が短いことが望ましい。特に混載ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）代替として用いる場合には、数ナノ秒以下の時間で書き込みが完了することが望ましい。【０００３】
ところで、磁気メモリへの情報の書き込み方法のうちで最も一般的なものは、磁気記憶素子の周辺に書き込みのための配線を配置し、この配線に電流を流すことで発生する磁場によって磁気記憶素子の磁化の方向をスイッチングさせる方法（電流誘起磁場磁化反転方式）である。この方法では、磁場による磁化反転を用いるため、原理的には１ｎｓｅｃ．（ナノ秒）以下での書き込みが可能である。したがって、この方法は、高速の磁気メモリを実現する上では好適である。【０００４】
磁気メモリへの他の書き込み方法として、磁性体に電流を流したときに生ずるスピントランスファートルクを利用する方法がある。この方法として、具体的にはスピン注入磁化反転方式と、電流誘起磁壁移動方式がある。【０００５】
スピン注入磁化反転方式は、反転可能な磁化を有する第１の磁性層と、それに電気的に接続され、磁化が固定された第２の磁性層から構成された積層膜において、第２の磁性層と第１の磁性層の間で電流を流したときのスピン偏極した伝導電子と第１の磁性層中の局在電子との間の相互作用を利用して第１の磁性層の磁化を反転する方法である。スピン注入磁化反転はある電流密度以上のときに起こる。したがって、素子のサイズが小さくなれば、書き込みに要する電流は低減される。すなわちスピン注入磁化反転方式はスケーリング性に優れていると言うことができる。また、Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．ＩＳＳＣＣ  ２００７．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ．ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｐ．４８０によればスピン注入磁化反転方式での書き込み電流として０．２ｍＡが実現されている。【０００６】
一方、電流誘起磁壁移動方式を用いた磁気メモリは特開２００５−１９１０３２号公報に開示されている。電流誘起磁壁移動現象を利用した磁気メモリは、一般的には反転可能な磁化を有する第１の磁性層において、その両端部の磁化が互いに略反平行となるように固定され、それらの間に磁壁が移動する領域が設けられる。書き込みの際は、第１の磁性層内で電流を流すことによって、磁壁を移動させることで行う。電流誘起磁壁移動もある電流密度以上のときに起こることから、スピン注入磁化反転と同様にスケーリング性があると言える。またＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，ｖｏｌ．１０３，ｐ．０７Ｅ７１８（２００８）によれば垂直磁化膜を用いることによって閾値電流は０．０５ｍＡ程度まで小さくなることが示されている。
【発明の開示】
【０００７】
このように、磁気メモリの書き込み方式としては、電流誘起磁場磁化反転方式とスピン注入磁化反転方式と電流誘起磁壁移動方式などがある。電流誘起磁場磁化反転方式は高速性に優れ、またスピン注入磁化反転方式や電流誘起磁壁移動方式のようなスピントランスファートルクを利用する方法は書き込み電流の低減と書き込み電流のスケーリング性で優れている。しかし、これらの方式はそれぞれ異なる問題点を有している。
【０００８】
まず、電流誘起磁場磁化反転方式の場合、書き込み電流が大きく、また書き込み電流のスケーリングが不可能であるという問題点がある。具体的には、熱安定性、外乱磁場耐性が確保された磁性体の磁化をスイッチングさせるために必要な磁場は一般的には数１０Ｏｅ（エールステッド）程度であり、このような大きな磁場を発生させるためには数ｍＡ程度の電流が必要となる。この場合にはチップ面積が大きくならざるを得ず、また書き込みに要する消費電力も増大する。そのため、この方式のランダムアクセスメモリは、他のランダムアクセスメモリと比べて競争力に劣る。これに加えて、素子が微細化されると、書き込み電流は更に増大することになる。すなわち、この方法を用いる磁気メモリは、スケーリングの点でも好ましくない。
【０００９】
また、スピン注入磁化反転方式や電流誘起磁壁移動方式のようなスピントランスファートルクを利用する方法は、書き込みに要する時間が長く、高速性に劣るという問題点がある。具体的には、スピン注入磁化反転方式の場合、書き込み電流パルスが数ｎｓｅｃ．のとき、閾値電流密度が大きくなることが知られている。実際、Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔｓ  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２００７．ＩＳＳＣＣ  ２００７．Ｄｉｇｅｓｔ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｐａｐｅｒｓ．ＩＥＥＥ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，ｐ．４８０のスピン注入磁化反転方式の場合、１００ｎｓｅｃ．サイクルの書き込み電流が用いられている。また、電流誘起磁壁移動方式の場合、報告されている中で最も速い磁壁移動の速度でも１００ｍ／ｓ程度であり、１００ｎｍの距離にわたって磁壁を移動させるためには１ｎｓｅｃ．を要することになる。
【００１０】
本発明の目的は、書き込み電流の大幅な低減（例示：０．２ｍＡ程度以下）を実現しながら、且つ書き込みに要する時間を大きく低減（例示：１ｎｓｅｃ．（ナノ秒）以下）することが可能な磁気記憶素子、及び磁気メモリを提供することにある。
【００１１】
この発明のこれらの目的とそれ以外の目的と利益とは以下の説明と添付図面とによって容易に確認することができる。
【００１２】
本発明の磁気記憶素子は、強磁性体から構成された記憶層と、記憶層に記憶された情報の読み出しに用いる読み出し機構とを具備する。記憶層は、第１磁化固定領域と、第２磁化固定領域と、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域との間に設けられた磁壁領域とを備える。磁壁領域は、第１磁化固定領域と第２磁化固定領域とに隣り合うように設けられている。第１磁化固定領域及び第２磁化固定領域は磁壁領域に対して互いに反対の方向に固定された磁化を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１Ａ】図１Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す平面図である。
【図２Ａ】図２Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の磁化の状態を示す斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の磁化の状態を示す平面図である。
【図３Ａ】図３Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１メモリ状態における磁化の状態を示す平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２メモリ状態における磁化の状態を示す平面図である。
【図４】図４は本発明の全ての実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込み方法を説明するための平面図である。
【図５Ａ】図５Ａは本発明の全ての実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは本発明の全ての実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す平面図である。
【図６Ａ】図６Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子への第２メモリ状態の書き込み方法を説明するための平面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子への第１メモリ状態の書き込み方法を説明するための平面図である。
【図７Ａ】図７Ａは本発明の全ての実施の形態に係る磁気記憶素子における書き込み方法の原理を説明するための平面図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは本発明の全ての実施の形態に係る磁気記憶素子における書き込み方法の原理を説明するための斜視図である。
【図８Ａ】図８Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子における書き込み方法のシミュレーションで用いた記憶層の形状を示す模式図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子における書き込み方法のシミュレーション計算結果である。
【図８Ｃ】図８Ｃは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子における書き込み方法のシミュレーション計算結果である。
【図９】図９は本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子における書き込みマージンのグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す斜視図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す平面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１メモリ状態における情報の読み出し方法を説明するための断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２メモリ状態における情報の読み出し方法を説明するための断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の磁化の初期化方法を説明するための斜視図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の磁化の初期化方法を説明するための平面図である。
【図１３】図１３は本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの１セル分の回路図である。
【図１４】図１４は本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリの構成の一例を示すブロック図である。
【図１５】図１５は本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子のピンサイトの形成方法の一例を説明するための平面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の一例を示す平面図である。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の他の一例を示す平面図である。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１７Ａ】図１７Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１７Ｂ】図１７Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１７Ｃ】図１７Ｃは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１７Ｄ】図１７Ｄは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例の構成の一例を示す斜視図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例の構成の一例を示す平面図である。
【図２０Ａ】図２０Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例の構成の他の一例を示す斜視図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例の構成の他の一例を示す平面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは図２１Ａに示された第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の初期化方法を説明するための平面図である。
【図２１Ｃ】図２１Ｃは図２１Ａに示された第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の初期化方法を説明するための平面図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第３の変形例の構成の一例を示す斜視図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第３の変形例の構成の一例を示す平面図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構成の一例を示す斜視図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構成の一例を示す平面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構成の他の一例を示す斜視図である。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構成の他の一例を示す平面図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構成の更に他の一例を示す斜視図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構成の更に他の一例を示す平面図である。
【図２６Ａ】図２６Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第１の形態における第１メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２６Ｂ】図２６Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第１の形態における第２メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２７Ａ】図２７Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第２の形態における第１メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第２の形態における第２メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２８Ａ】図２８Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第３の形態における第１メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第３の形態における第２メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２９Ａ】図２９Ａは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第４の形態における第１メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の第４の形態における第２メモリ状態での磁化の状態を示す平面図である。
【図３０Ａ】図３０Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への第２メモリ状態の書き込み方法を説明するための平面図である。
【図３０Ｂ】図３０Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への第１メモリ状態の書き込み方法を説明するための平面図である。
【図３１Ａ】図３１Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への第２メモリ状態を書き込むのに用いる第１の書き込み方法の原理を説明するための模式図である。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への第１メモリ状態を書き込むのに用いる第１の書き込み方法の原理を説明するための模式図である。
【図３１Ｃ】図３１Ｃは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の第１の書き込み方法の計算結果のグラフである。
【図３２Ａ】図３２Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への第２メモリ状態を書き込むのに用いる第２の書き込み方法の原理を説明するための模式図である。
【図３２Ｂ】図３２Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への第１メモリ状態を書き込むのに用いる第２の書き込み方法の原理を説明するための模式図である。
【図３２Ｃ】図３２Ｃは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の第２の書き込み方法の計算結果のグラフである。
【図３３】図３３は本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第１の方法を説明するための平面図である。
【図３４Ａ】図３４Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第２の方法を説明するための斜視図である。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第２の方法を説明するための平面図である。
【図３５Ａ】図３５Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第３の方法を説明するための斜視図である。
【図３５Ｂ】図３５Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第３の方法を説明するための平面図である。
【図３６Ａ】図３６Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第３の方法を説明するための斜視図である。
【図３６Ｂ】図３６Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第３の方法を説明するための平面図である。
【図３７Ａ】図３７Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第４の方法を説明するための斜視図である。
【図３７Ｂ】図３７Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第４の方法を説明するための平面図である。
【図３８Ａ】図３８Ａは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第５の方法を説明するための斜視図である。
【図３８Ｂ】図３８Ｂは本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子への局所磁場印加の第５の方法を説明するための平面図である。
【図３９Ａ】図３９Ａは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す斜視図である。
【図３９Ｂ】図３９Ｂは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成を示す平面図である。
【図４０Ａ】図４０Ａは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の形態での第１メモリ状態での磁化の構造を説明するための斜視図である。
【図４０Ｂ】図４０Ｂは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の形態での第２メモリ状態での磁化の構造を説明するための斜視図である。
【図４１Ａ】図４１Ａは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の形態での第１メモリ状態での磁化の構造を説明するための斜視図である。
【図４１Ｂ】図４１Ｂは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の形態での第２メモリ状態での磁化の構造を説明するための斜視図である。
【図４２Ａ】図４２Ａは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の第３の形態での第１メモリ状態での磁化の構造を説明するための斜視図である。
【図４２Ｂ】図４２Ｂは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子の第３の形態での第２メモリ状態での磁化の構造を説明するための斜視図である。
【図４３Ａ】図４３Ａは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子からの情報の読み出し方法を説明するための平面図である。
【図４３Ｂ】図４３Ｂは本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子からの情報の読み出し方法を説明するための平面図である。
【図４４Ａ】図４４Ａは本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す斜視図である。
【図４４Ｂ】図４４Ｂは本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の一部分の構成を示す平面図である。
【図４５Ａ】図４５Ａは本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の第１メモリ状態での情報の読み出し方法を説明するための斜視図である。
【図４５Ｂ】図４５Ｂは本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子の第２メモリ状態での情報の読み出し方法を説明するための斜視図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係る磁気記憶素子、及び磁気メモリについて説明する。本発明に係る磁気メモリは、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセルを有しており、各磁気メモリセルは磁気記憶素子を有している。【００１５】
（第１の実施の形態）
（構造）
本発明の第１の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成について説明する。この磁気記憶素子は、記憶層１０と読み出し機構とを具備する。図１Ａは、本実施の形態に係る記憶層１０の構造を模式的に示す斜視図である。ここで、図１Ａにおいて、ｘ−ｙ−ｚ座標系（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸）を図のように定義する。一方、図１Ｂは、本実施の形態に係る記憶層１０の構造を模式的に示すｘ−ｙ平面図である。なお、これ以降の図において、ｚ軸は基板に垂直方向であるものとし、ｘ軸、およびｙ軸は基板に平行な平面方向で直交するものとする。ただし、本発明を実施するにあたっては、このようなｘ−ｙ−ｚ座標の基板に対する定義はいかようであっても構わない。【００１６】
記憶層１０は強磁性体から構成される。好適には記憶層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。また、記憶層１０は図１Ａ及び図１Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁壁領域１２とを具備する。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの間に形成され、かつ第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの双方に隣り合って設けられる。より好ましくは、磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとに隣接して設けられる。【００１７】
第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは固定された磁化を有する。また、これらの磁化は磁壁領域１２に対して対称方向に固定されている。図２Ａ及び図２Ｂは、本実施の形態に係る記憶層の磁化構造の一例を模式的に示す斜視図及びｘ−ｙ平面図である。図２Ａ及び図２Ｂにおいて、各領域の磁化方向は矢印で模式的に示されている。図２Ａ及び図２Ｂの例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されている。なお、この磁化の固定方向には任意性がある。詳細については後述される。【００１８】
磁壁領域１２は、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂのそれぞれの固定磁化の遷移領域に相当する。すなわち磁壁領域１２には磁壁が形成される。また、磁壁領域１２はこの磁壁をトラップする機能を有する。言い換えると、磁壁領域１２は磁壁のピンサイトの機能を有する。トラップの方法については後述される。また、磁壁領域１２に形成される磁壁は反転可能な磁化を有する。なお、磁壁領域１２は磁壁が形成される領域を意味し、磁壁が移動する領域ではない。
また、読み出し機構については、後述される。【００１９】
（メモリ状態）
本実施の形態に係る磁気記憶素子においては磁壁領域１２に形成される磁壁の磁化の方向で情報を記憶する。図３Ａ及び図３Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子のメモリ状態を模式的に示すｘ−ｙ平面図である。図３Ａは当該磁気記憶素子における“０”状態での磁化状態を示している。図３Ｂは当該磁気記憶素子における“１”状態での磁化状態を示している。図３Ａ及び図３Ｂの例の場合、磁壁領域１２の磁化は、“０”状態（図３Ａ）においては＋ｙ方向を向き、“１”状態（図３Ｂ）においては−ｙ方向を向く。なお、図３Ａ及び図３Ｂにおける磁壁を貫通する方向（この例ではｘ方向）に対して、磁壁内の磁化が成分を持たないように形成される磁壁は「ブロッホ磁壁」と参照される。【００２０】
（書き込み方法）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込み方法について説明する。図４は、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込み方法を模式的に示すｘ−ｙ平面図である。この磁気記憶素子への情報の書き込みは、記憶層１０に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを導入することで行う。この書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは磁壁領域１２に形成される磁壁を貫通する方向に導入される。この書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向が図４に矢印で示されている。図４に示される例の場合、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは記憶層１０の面内でｘ軸に平行な方向に導入される。【００２１】
なお、このような書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを導入するために、記憶層１０に隣接して電極層１３が設けられることが好ましい。図５Ａ及び図５Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の構成の一例を模式的に示す斜視図及びｚ−ｘ平面図である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、第１磁化固定領域１１ａに隣接して第１電極層１３ａが設けられ、第２磁化固定領域１１ｂに隣接して第２電極層１３ｂが設けられる。書き込みの際には第１電極層１３ａと第２電極層１３ｂの間で記憶層１０を介して書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが導入される。【００２２】
また、本実施の形態においては、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは磁壁（磁壁領域１２）を貫通するように導入される。ただし、その方向については様々な形態を用いることができる。図６Ａ及び図６Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子への具体的な情報の書き込み方法を模式的に示すｘ−ｙ平面図である。本実施の形態においては、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは“０”書き込みの場合も“１”書き込みの場合も同方向に導入される。図６Ａ及び図６Ｂに示す例の場合、この書き込み電流の方向は−ｘ方向であるものとして描かれている。【００２３】
いま、図６Ａのような“０”状態において、“１”を書き込む場合、図６Ａのように−ｘ方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを導入する。このとき磁壁領域１２において＋ｙ方向を向いた磁壁の磁化は、ある条件においては−ｙ方向に反転する。このようにして“１”書き込みを行うことができる。また、図６Ｂのような“１”状態において、“０”を書き込む場合、図６Ｂのように−ｘ方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを導入する。このとき磁壁領域１２において−ｙ方向を向いた磁壁の磁化は、ある条件においては＋ｙ方向に反転する。このようにして“０”書き込みを行うことができる。このように本実施の形態においては、トグル方式による書き込みが用いられる。従って、書き込みの前に読み出しを行い、書き込みの必要性の有無を判断する必要がある。ただし、後述される第２の実施の形態とは異なり、書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向が一方向に限られるため、周辺回路が単純化される。【００２４】
（書き込み原理）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込みで用いる原理について説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込みで用いる原理を模式的に説明するｘ−ｙ平面図及び斜視図である。いま、図７Ａに示されるように、磁壁領域１２を貫通するように−ｘ方向に書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅが導入され、伝導電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が＋ｘ方向に導入された場合を考える。このとき、磁壁ＤＷは電流誘起磁壁移動現象によって伝導電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）と同方向、すなわち＋ｘ方向に移動する。この際の系の磁化の振る舞いは、以下の式（１）に示されるＬＬＧ方程式（Ｌａｎｄａｕ−Ｌｉｆｓｈｉｔｚ−Ｇｉｌｂｅｒｔ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）に従うことが知られている。【００２５】
【数１】
0005435412.tif 000002
ここで、
γ：ジャイロ磁気定数
ｍ：ローカルな磁気モーメント
Ｈ：磁場
α：ギルバートのダンピング定数
β：補正係数
ｕ：スピン偏極した伝導電子の電流密度（ｕ＝（ｇＰμＢ／２ｅＭＳ）ｊ）
ｇ：ランデのｇ因子
Ｐ：スピン偏極率
μＢ：ボーア磁子
ｅ：電子の素電荷
ＭＳ：飽和磁化
ｊ：電流密度［Ａ／ｍ２］【００２６】
上記のＬＬＧ方程式（式（１））において、右辺第１項は磁界によるトルクの効果を、第２項はダンピング効果を、第３項は断熱のスピントランスファートルクの効果を、そして第４項は非断熱効果あるいはβ項の効果を表している。【００２７】
図７Ｂは、磁壁領域１２に形成された磁壁を貫通するように伝導電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が導入された場合に磁壁の磁化に働くトルクを模式的に示している。まず、伝導電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）が＋ｘ方向に流れた場合、上記ＬＬＧ方程式の第３項のスピントランスファートルク（図７Ｂの矢印ＳＴＴ）によって、磁壁は＋ｚ方向に回転しようとする。これによって磁壁は＋ｘ方向に移動する。ここで磁壁領域１２が磁壁のピンサイトとなっている場合、磁壁は磁壁領域１２に戻るような力を受ける。この力は−ｚ方向への実効的な磁界として働く。これが図７Ｂで示された実効磁界Ｈｐｉｎである。実効磁界Ｈｐｉｎが働くことで、上記ＬＬＧ方程式の第１項によって新たなトルクが発生する。そのトルクの方向は図７Ｂにおいて矢印ＰＩＴ（Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｉｎｄｕｃｅｄ  Ｔｏｒｑｕｅ）として表されている。このトルクによって磁壁はｘ−ｙ面内で回転する。この回転によって、はじめ＋ｙ方向を向いていた磁壁は−ｙ方向を向く。これが本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込みで用いる原理の概略である。【００２８】
なお、ピンサイトによって生ずる実効的な磁界Ｈｐｉｎに起因したトルク（ＰＩＴ）は、上記ＬＬＧ方程式の第２項、及び第４項のダンピング項とβ項と同方向となる。しかし、一般的に当該実効的な磁界Ｈｐｉｎによって生ずるトルクは十分大きく、ダンピング項やβ項によるトルクは無視できるほどに小さい。本実施の形態において磁壁の磁化が反転する要因は、電流誘起磁壁移動によって生ずる磁壁の微小な変位で現れる実効的な磁界Ｈｐｉｎが及ぼすトルクである。このトルクを生むためには、磁壁領域１２が磁壁のピンサイトである必要がある。【００２９】
なお、磁壁の磁化が反転できるか否かは、磁壁の困難軸磁気異方性によって決まる。この困難軸磁気異方性とは、図７Ａ及び図７Ｂに示されるような磁壁の場合、ｙ方向の磁気異方性である。この磁気異方性が大きい場合、ピンポテンシャルに起因した実効的な磁界Ｈｐｉｎによってトルクが働いても、磁化の反転は起こらない。従って、困難軸磁気異方性を小さくすることによって書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを低減できることがわかる。困難軸磁気異方性を小さくする方法としては、記憶層１０のｙ方向の幅、及び記憶層１０の膜厚（ｚ方向の幅）を小さくすることが好ましい。計算によれば、記憶層１０の膜厚が１０ｎｍ以下（より好ましくは８ｎｍ以下）のとき、また記憶層１０のｙ方向の幅が１００ｎｍ以下（より好ましくは８０ｎｍ以下）のときに、既存のメモリを置き換えられる書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅにまで低減できることがわかった。すなわち、本実施の形態においては、記憶層１０の膜厚は１０ｎｍ以下であることが好ましく、また記憶層１０のｙ方向の幅は１００ｎｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、それぞれ８ｎｍ以下、及び８０ｎｍ以下である。ただし、記憶層１０としての機能を有するために、膜厚は１ｎｍ以上、ｙ方向の幅は１０ｎｍ以上であることが好ましい。【００３０】
図８Ａ〜図８Ｃは、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込み方法のシミュレーション結果を示す模式図である。本シミュレーションでは、図８Ａのような、ピンサイトとして狭窄部（ノッチ）１０ｂを有する記憶層１０ａを用いた。本シミュレーションにおいては、上記のＬＬＧ方程式を用いた。また、記憶層１０ａの材料特性は、ＭＳ＝６×１０５［Ａ／ｍ］、Ｋｕ＝４×１０５［Ｊ／ｍ３］、Ａ＝１×１０１１［Ｊ／ｍ］である。記憶層１０ａ（細線）のｙ方向の幅は広いところで１２０ｎｍ、狭いところ（ノッチ１０ｂ）で８０ｎｍ、記憶層１０ａ（細線）の膜厚は４ｎｍとした。【００３１】
図８Ｂにおいて、（ａ０）は記憶層１０ａの初期状態を表し、（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）、（ａ４）、（ａ５）、（ａ６）、（ａ７）はそれぞれ初期状態から１００ｐｓｅｃ．、２００ｐｓｅｃ．、３００ｐｓｅｃ．、４００ｐｓｅｃ．、５００ｐｓｅｃ．、６００ｐｓｅｃ．、７００ｐｓｅｃ．後の磁化の状態を模式的に示している。また、図８Ｃにおいて、（ｂ０）、（ｂ１）、（ｂ２）、（ｂ３）、（ｂ４）、（ｂ５）、（ｂ６）、（ｂ７）はそれぞれ（ａ０）、（ａ１）、（ａ２）、（ａ３）、（ａ４）、（ａ５）、（ａ６）、（ａ７）の状態から磁化を緩和して収束したときの磁化状態を示している。なお、伝導電子（ｅｌｅｃｔｒｏｎ）の方向は＋ｘ方向である。図８Ｂの（ａ０）〜（ａ７）及び図８Ｃの（ｂ０）〜（ｂ７）の各々において、シミュレーションを行った複数の点の磁化方向が矢印で示されている。【００３２】
図８Ｂに示されるように、当初＋ｙ方向を向いていた磁壁領域の磁化（図８Ｂ（ａ０））は、時間の経過と共に時計回りに回転していることがわかる（図８Ｂ（ａ１）〜（ａ７））。また、それらの状態において磁化を緩和した時、磁壁領域の磁化は、図８Ｃの（ｂ３）、（ｂ４）、（ｂ５）の３００ｐｓｅｃ．、４００ｐｓｅｃ．、５００ｐｓｅｃ．において−ｙ方向に反転していることがわかる。【００３３】
図８Ａ〜図８Ｃの系での磁化反転の閾値電流密度はｕ＝２０ｍ／ｓである。この値は、分極率Ｐ＝０．５を仮定すると、ｊ＝４×１０１１［Ａ／ｍ２］に相当する。このときの書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅは、０．２ｍＡとなる。線幅や膜厚を低減することで更なる低電流化が可能である。【００３４】
図８Ａ〜図８Ｃのシミュレーション結果からわかるように、磁気記憶素子へ情報を書き込む際のパルス幅にはマージンがある。図９は、シミュレーションから求まった本実施の形態に係る書き込み電流密度と書き込み電流パルス幅のマージンとの関係を示すグラフである。横軸は書き込み電流密度ｕ（ｍ／ｓ）、縦軸は書き込みパルス幅（ｎｓｅｃ．）である。図９において、白い部分が、書き込みが可能な領域、すなわち、磁壁の磁化が反対方向を向く領域を意味している。【００３５】
（読み出し方法）
前述のように本実施の形態に係る磁気記憶素子は記憶層１０に加えて読み出し機構を具備する。ここでは、その読み出し機構について説明する。【００３６】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の構成の一例を模式的に示す斜視図及びｚ−ｘ平面図である。本実施の形態においては、読み出し方法として、トンネル磁気抵抗効果（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｅｆｆｅｃｔ）が用いられる。そのために読み出し機構として磁気トンネル接合（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｔｕｎｎｅｌ  Ｊｕｎｃｔｉｏｎ；ＭＴＪ）が設けられる。具体的には図１０Ａ及び図１０Ｂに示されるように、記憶層１０の情報記憶部である磁壁領域１２に隣接して第１非磁性層２０が設けられ、第１非磁性層２０に隣接して、記憶層１０とは反対側に第１磁化固定層３０が設けられる。第１磁化固定層３０は固定された磁化を有する。その固定磁化の方向は、磁壁領域１２に形成される磁壁の磁化と平行、もしくは反平行であることが好ましい。【００３７】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、図１０Ａ及び図１０Ｂに示される磁気記憶素子７０での具体的な情報の読み出し方法を模式的に示す断面図である。図１１Ａは“０”状態での磁化状態を、図１１Ｂは“１”状態での磁化状態を示している。図１１Ａに示されるような“０”状態の場合、磁壁領域１２の磁化と第１磁化固定層３０の磁化は平行である。従って、記憶層１０、第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０を貫通するように読み出し電流を流した場合、低抵抗が実現される。一方、図１１Ｂに示されるような“１”状態の場合、磁壁領域１２の磁化と第１磁化固定層３０の磁化は反平行である。従って、記憶層１０、第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０を貫通するように読み出し電流を流した場合、高抵抗が実現される。このように記憶層１０、第１非磁性層２０、第１磁化固定層３０を貫通するように読み出し電流を流した場合の抵抗の差としてメモリ状態を読み出すことができる。【００３８】
（初期化方法）
前述のように本実施の形態に係る磁気記憶素子は記憶層１０を具備し、記憶層１０は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとそれらの間に設けられる磁壁領域１２を備える。また第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂの磁化は磁壁領域１２に対して対称方向に固定された磁化を有する。ここでは、この磁化状態の初期化方法について説明する。図１２Ａ及び図１２Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の記憶層１０の磁化状態の初期化方法を模式的に示す斜視図及びｚ−ｘ平面図である。ただし、本発明においては図１２に示される方法以外の方法においても磁化状態を初期化することができる。それらの方法は後述される。【００３９】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示される方法では、記憶層１０に隣接して第２磁化固定層４０が設けられる。図１２Ａ及び図１２Ｂの例では、第２磁化固定層４０は第１磁化固定領域１１ａに隣接して設けられている。第２磁化固定層４０の材料としては、例えば強磁性体を用いることができる。このとき第２磁化固定層４０と隣接した第１磁化固定領域１１ａは第２磁化固定領域１１ｂとは磁気特性が異なる。これによって外部磁場を複数のステップに分けて印加することで図１２Ａ及び図１２Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１２ｂの磁化を反平行方向に固定することができる。【００４０】
具体的には、以下のようにして磁化状態の初期化ができる。ここでは、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定層４０が交換結合し、磁化が強磁性的に結合した場合を考える。また第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定層４０の保磁力がＨｃａであり、第２磁化固定領域１１ｂの保磁力がＨｃｂであり、ＨｃａとＨｃｂの間にＨｃａ＞Ｈｃｂなる関係が成り立つものとする。このとき、初めに＋ｚ方向に十分大きな磁界を印加すると、全ての磁化は＋ｚ方向に揃う。次にＨｃａ＞Ｈｅｘｔ＞Ｈｃｂなる磁界Ｈｅｘｔを−ｚ方向に印加した場合、第２磁化固定領域１１ｂの磁化のみが反転する。このようにして図１２Ａ及び図１２Ｂに矢印で示されるような磁化状態が実現される。
なお、記憶層１０の磁化の初期化方法はこの限りではない。詳細は後述される。【００４１】
（材料）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０に用いることのできる材料について例示する。但し、ここで例示される材料以外の材料によっても本実施の形態は実施することができる。【００４２】
記憶層１０は強磁性体から構成される。このために記憶層１０はＦｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含むことが好ましい。好適には記憶層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体により構成される。垂直磁気異方性を示す材料としてはＣｏ、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｃｏ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｐｔ−Ｃｒ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｐｔ−Ｂ、Ｃｏ−Ｃｒ−Ｔａ−Ｂ、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｖ、Ｃｏ−Ｍｏ、Ｃｏ−Ｗ、Ｃｏ−Ｔｉ、Ｃｏ−Ｒｕ、Ｃｏ−Ｒｈ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｐｔ、Ｍｎ−Ａｌ、Ｍｎ−Ｂｉ、Ｓｍ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏ、Ｇｄ−Ｔｂ−Ｆｅ−Ｃｏなどが知られており、これらを用いることができる。この他、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉのうちから選択されるいずれか一つの材料を含む層を、異なる層と積層させることにより垂直方向の磁気異方性を発現させることもできる。具体的にはＣｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｎｉ、Ｆｅ／Ａｕの積層膜などが例示される。
また、記憶層１０の材料はダンピング定数が大きい方が望ましいことがシミュレーションから判明した。これは、ダンピング定数が大きい場合、書き込み電流が立ち下げられた後の磁化の緩和が安定するためである。ダンピング定数を高めるためには、Ｐｔ、Ｐｄを導入するとよいことが知られている。すなわち記憶層１０はＰｔ、Ｐｄを含有することが好ましい。【００４３】
電極層１３には導電性の材料を用いることが好ましい。具体的にはＣｕ、Ａｌ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｕなどが例示される。【００４４】
第１非磁性層２０は絶縁性の材料から構成されることが好ましい。具体的にはＭｇ−Ｏ、Ａｌ−Ｏ、Ａｌ−Ｎ、Ｎｉ−Ｏ、Ｈｆ−Ｏなどが例示される。ただし、この他に半導体や金属材料を用いても本実施の形態は実施できる。具体的にはＡｌ、Ｃｒ、Ｃｕなどが例示される。第１非磁性層２０に金属材料を用いた場合の読み出し方法は、トンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＴＭＲ）効果ではなく、Ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ  ｔｏ  Ｐｌａｎｅ  Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＣＰＰ−ＧＭＲ効果を用いることになる。【００４５】
第１磁化固定層３０は強磁性体から構成される。また記憶層１０が垂直磁気異方性を有する材料により形成される場合には、第１磁化固定層３０は面内磁気異方性を有する材料から構成される。具体的にはＣｏ、Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂなどが例示される。【００４６】
第２磁化固定層４０の材料としては様々な材料を用いることができる。例えば強磁性体を用いることができる。例えばＦｅ−Ｐｔが例示される。またこの他、反強磁性体を用いてもよい。その例としてＰｔ−Ｍｎが挙げられる。【００４７】
（回路構成）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０を有する磁気メモリセル８０に書き込み電流及び読み出し電流を導入するための回路構成を説明する。【００４８】
図１３は、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０を用いた磁気メモリセル８０の１ビット分の回路の構成例を示す回路図である。図１３に示される例では、磁気記憶素子７０は３端子の素子であり、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。例えば、第１磁化固定層３０につながる端子は、読み出しのためのグラウンド線ＧＬに接続されている。第１磁化固定領域１１ａにつながる端子は、トランジスタＴＲａのソース／ドレインの一方に接続され、そのソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬａに接続されている。第２磁化固定領域１１ｂにつながる端子は、トランジスタＴＲｂのソース／ドレインの一方に接続され、そのソース／ドレインの他方は、ビット線ＢＬｂに接続されている。トランジスタＴＲａ、ＴＲｂのゲートは、共通のワード線ＷＬに接続されている。【００４９】
データ書き込み時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線対ＢＬａ、ＢＬｂのいずれか一方がＨｉｇｈレベルに設定され、他方がＬｏｗレベル（グラウンドレベル）に設定される。その結果、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂ、記憶層１０を経由して、ビット線ＢＬａとビット線ＢＬｂとの間で書き込み電流が流れる。【００５０】
データ読み出し時、ワード線ＷＬはＨｉｇｈレベルに設定され、トランジスタＴＲａ、ＴＲｂがＯＮされる。また、ビット線ＢＬａはオープン状態に設定され、ビット線ＢＬｂはＨｉｇｈレベルに設定される。その結果、読み出し電流が、ビット線ＢＬｂからトランジスタＴＲｂ及び磁気記憶素子７０のＭＴＪを貫通してグラウンド線ＧＬへ流れる。これによって磁気抵抗効果を利用した読み出しが可能となる。【００５１】
図１４は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気メモリ９０の構成の一例を示すブロック図である。磁気メモリ９０は、メモリセルアレイ１１０、Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラ１４０を備えている。メモリセルアレイ１１０は、アレイ状に配置された複数の磁気メモリセル８０を有している。磁気メモリセル８０の各々は、上述の磁気記憶素子７０を有している。既出の図１３で示されたように、各磁気メモリセル８０は、ワード線ＷＬ、グラウンド線ＧＬ、及びビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。Ｘドライバ１２０は、複数のワード線ＷＬに接続されている。そして、それら複数のワード線ＷＬのうちアクセス対象の磁気メモリセル８０につながる選択ワード線を駆動する。Ｙドライバ１３０は、複数のビット線対ＢＬａ、ＢＬｂに接続されている。そして、各ビット線をデータ書き込みあるいはデータ読み出しに応じた状態に設定する。コントローラ１４０は、データ書き込みあるいはデータ読み出しに応じて、Ｘドライバ１２０とＹドライバ１３０のそれぞれを制御する。Ｘドライバ１２０、Ｙドライバ１３０、コントローラ１４０を含む構成はメモリセルアレイ１１０の各メモリセルの書き込み及び読み出しを制御する制御回路と見ることもできる。【００５２】
（ピンサイト形成方法）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０における記憶層１０のピンサイトの形成方法の一例について説明する。図１５は、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０における記憶層１０のピンサイトの一例を模式図に示すｘ−ｙ平面図である。本実施の形態において、記憶層１０の磁壁領域１２が磁壁のピンサイトとなる必要がある。このようなピンサイトの形成方法として、図１５には形状の変調による形成方法が示されている。図１５では磁壁領域１２にノッチＮが形成されている。ノッチＮが形成された場合、その部分は、他の部分に比べて線幅が狭くなるため、磁壁のピンサイトとなる。
ただし、これ以外の方法でも磁壁のピンサイトを形成することは可能である。具体例は後述される。【００５３】
（効果）
本実施の形態に係る磁気記憶素子、及び磁気メモリで得られる第１の効果は、書き込み速度の高速化である。一般的に電流誘起磁界を用いて書き込みを行う磁気メモリでは、高速性には優れるものの、書き込み電流の絶対値が大きく、書き込み電流のスケーリング特性に乏しい。一方、スピン偏極電流を用いた書き込み方式の場合、書き込み電流のスケーリング特性に優れ、書き込み電流の低減が可能であるが、書き込み速度は電流誘起磁界を用いた方式に比べると遅くなる。しかし、本実施の形態に係る書き込みでは、磁性素子に直接電流を流したときに発生するスピントランスファートルクを利用する。従って、書き込み電流のスケーリング特性には優れ、書き込み電流の低減が可能である。加えて、ピンサイトによって誘起される実効的な磁界によって磁化が反転するため、高速での磁化反転が可能となる。実際に図８Ａ〜図８Ｃで示されたシミュレーション結果からわかるように、１ｎｓｅｃ．（ナノ秒）以下という非常に短い時間での書き込みが可能である。これは２ポートＳＲＡＭなどの超高速型メモリと同等以上の速度に相当する。【００５４】
また、本実施の形態に係る磁気記憶素子、及び磁気メモリで得られる第２の効果は、電流誘起磁壁移動方式と比べて書き込み電流の更なる低減である。本実施の形態では、磁壁に電流を導入するものの、磁壁を移動させるわけではなく、磁壁の磁化を反転させることを特徴とする。垂直磁化膜のような特殊な場合、一般的に磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度に比べて、磁壁をピンサイト内で反転させるのに必要な電流密度は小さくなる。これは垂直磁化膜においては、困難軸磁気異方性に起因した磁壁の異方性磁界とピンサイトが有する実効的なピニング磁界の比が比較的大きいことに起因する。このような場合、電流誘起磁壁移動方式に比べて、更なる書き込み電流の低減が可能である。具体的には線幅が１２０ｎｍ程度以下において、前述されたように０．２ｍＡでの書き込みが可能となる。【００５５】
（第１の変形例）
図１６Ａ〜図１６Ｃ、図１７Ａ〜図１７Ｄ、図１８Ａ〜図１８Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の第１の変形例の構造を模式的に示す平面図である。第１の変形例は記憶層１０の磁壁領域１２となるピンサイトの形成方法に関する。【００５６】
図１６Ａ〜図１６Ｃは、記憶層１０の磁壁領域１２となるピンサイトの形成方法の一つとして、平面形状の変調による方法に関する変形例を模式的に示している。本実施の形態においては、平面形状によって磁壁のピンサイトを形成することができる。その一例として、図１５では狭窄部（ノッチ）Ｎを用いる方法が開示されている。このノッチＮは図１５に示されるように記憶層１０の両側に形成されてもよいが、図１６Ａ（ｘ−ｙ平面図）に示されるように片側のみに形成されてもよい。【００５７】
通常、磁気メモリを製造する際には、フォトリソグラフィー技術により素子をパターニングする。そして、その際にはフォトマスクが用いられる。ここで、このようなノッチ、及びそれに準じた平面形状に関する微細な構造を形成するためには、１枚のフォトマスクにより形成してもよいが、図１６Ｂ（ｘ−ｙ平面図）に示されるように複数のフォトマスクにより形成してもよい。図１６Ｂではその例として、２枚の五角形のフォトマスクにより、図１５に示されるような平面形状をパターニングする方法が示されている。図１６Ｂでは、点線で示された二つの五角形の少なくとも一方によって覆われた部分（ＯＲ部分）がパターニングされるような加工プロセスを用いている。それにより、図１５に示されたような形状をパターニングすることができる。複数のフォトマスクを用いてパターニングする場合、ノッチＮの狭窄部分（凹部）を鋭角的に形成することができる。また、図１６Ｂで示される方法の他に、狭窄部（ノッチ）Ｎのみを別のフォトマスク、及び別のプロセスにより形成してもよい。また、この他、図１６Ｃ（ｘ−ｙ平面図）に示されるように、屈折部Ｃを設けることで、その屈折部Ｃを磁壁領域１２とすることもできる。なお、図１６Ｃでは記憶層１０がＬ字型にパターニングされる場合が示されている。【００５８】
図１７Ａ〜図１７Ｄは、記憶層１０の断面形状の変調による磁壁のピンサイトを形成する方法が示されている。図１７Ａ（ｚ−ｘ平面図）では、磁壁領域１２のみが山状に隆起した形態が示されている。このような構造は、磁壁領域１２となる領域の製膜面を予め隆起させておくことによって、その上に製膜する記憶層１０のうちの磁壁領域１２のみを隆起させることができる。図１７Ｂ（ｚ−ｘ平面図）では、磁壁領域１２のみを谷状に陥没した形態が示されている。このような構造は、磁壁領域１２となる領域の製膜面に予め谷を形成することによって、その上に製膜する記憶層１０のうちの磁壁領域１２のみを陥没させることができる。図１７Ｃ（ｚ−ｘ平面図）では、磁壁領域１２の上部のみをエッチングされる形態が示されている。図１７Ｃにおいて磁壁領域１２からその上部であるエッチング領域Ｅが取り除かれている。このような構造は記憶層１０を製膜後、磁壁領域１２のみをエッチングすることによって形成することができる。図１７Ｄ（ｚ−ｘ平面図）では、磁壁領域１２以外の部位、すなわち第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂに追加の製膜を行うことによって、磁壁領域１２がピンサイトとなる形態が示されている。図１７Ｄにおいて、第１磁化固定領域１１ａの上に追加製膜領域１１ａｘが形成され、第２磁化固定領域１１ｂの上に追加製膜領域１１ｂｘが形成されている。【００５９】
図１６Ａ〜図１６Ｃや図１７Ａ〜図１７Ｄで示された平面形状、断面形状の他に、結晶構造、組織、構成元素などの材料の変調によって磁壁領域１２となるピンサイトを形成することもできる。その一例として、磁壁領域１２のみを異なる材料により形成してもよい。そのために、別プロセスにより磁壁領域１２を形成してもよい。又は、図１８Ａ（ｚ−ｘ平面図）に示されるように、磁壁領域１２のみにビームＢを照射し、ピンサイトを形成することもできる。他の例として、図１８Ｂ（ｚ−ｘ平面図）に示されるように、下地層の材料や状態を変えることによって磁壁領域１２が磁壁のピンサイトとなるようにしてもよい。図１８Ｂは、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの下地層１１ａｕｌ及び１１ｂｕｌと、磁壁領域１２の下地層１２ｕｌとを変えることによって磁壁領域１２が磁壁のピンサイトとなる例を示している。【００６０】
（第２の変形例）
図１９Ａ〜図１９Ｂ、図２０Ａ〜図２０Ｂ、図２１Ａ〜図２１Ｃは、本発実施の形態に係る磁気記憶素子の第２の変形例の構造を模式的に示す斜視図及び平面図である。第２の変形例は記憶層１０の磁化状態の初期化方法に関する。【００６１】
本実施の形態においては、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化を磁壁領域１２に対して互いに反対の方向に固定する必要がある。その方法の一例として、図１２Ａ及び図１２Ｂは、第１磁化固定領域１１ａに隣接して第２磁化固定層４０が設けられる例を示している。但し、本実施の形態において記憶層１０の磁化状態を初期化する方法はこの限りではない。【００６２】
他の方法の一例として、図１９Ａ（斜視図）及び図１９Ｂ（ｚ−ｘ平面図）では第１磁化固定領域１１ａに隣接して第２ａ磁化固定層４０ａが設けられ、第２磁化固定領域１１ｂに隣接して第２ｂ磁化固定層４０ｂが設けられる例が示されている。第２ａ磁化固定層４０ａ及び第２ｂ磁化固定層４０ｂの形態としては様々なものが考えられる。第２ａ磁化固定層４０ａ及び第２ｂ磁化固定層４０ｂがいずれも強磁性体から構成され、第２ａ磁化固定層４０ａと第２ｂ磁化固定層４０ｂとの間で磁気特性が異なり、かつ第１磁化固定領域１１ａと第２ａ磁化固定層４０ａとが交換結合し、第２磁化固定領域１１ｂと第２ｂ磁化固定層４０ｂとが交換結合している状態を考える。このとき第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間では保磁力に差が生ずるため、図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて説明したような複数の外部磁界を用いる方法によって磁化状態を初期化することができる。また別の形態の例として、第２ａ磁化固定層４０ａが積層フェリ結合型の積層膜により構成され、また第２ｂ磁化固定層４０ｂは通常の単層の強磁性層により構成される場合を考える。このときには磁気特性を調整することによって、１回の外部磁界の印加によって磁化状態を初期化することができる。さらに別の形態の例として、第２ａ磁化固定層４０ａには反強磁性体と強磁性体の積層膜から形成され、また第２ｂ磁化固定層４０ｂは強磁性体の単層膜から形成される場合を考える。この場合にも第２ａ磁化固定層４０ａと第２ｂ磁化固定層４０ｂの外部磁場に対する応答特性を異ならせることができるため、外部磁界を用いて磁化状態の初期化が可能となる。【００６３】
このように第２ａ磁化固定層４０ａ及び第２ｂ磁化固定層４０ｂのそれぞれを、単層の強磁性体、積層フェリ結合を有する積層膜、及び反強磁性体が隣接した交換バイアス膜、さらには単層の反強磁性体などによって互いに異なる磁気特性になるように形成することで磁化状態を初期化することができる。またこの他、第２ａ磁化固定層４０ａ及び第２ｂ磁化固定層４０ｂは単層の強磁性体から形成され、かつ同一の磁気特性であっても磁化状態の初期化は可能である。この場合には、面内方向の外部磁界を用いる。すなわち、例えば、図１９Ａ〜図１９Ｂの場合には、＋ｘ軸方向に十分大きな外部磁界を印加する。その後この外部磁界を立ち下げると、記憶層１０と第２磁化固定層４０との間で磁化の緩和が起こり、図１９Ａ〜図１９Ｂに矢印で示されるような磁化状態が実現される。【００６４】
なお、図１９Ａ〜図１９Ｂでは記憶層１０と同方向の磁気異方性を有する材料が第２磁化固定層４０の材料として用いられる例が示されている。具体的には、図１９Ａ〜図１９Ｂの場合には、記憶層１０は垂直磁気異方性を有する材料から形成され、かつ第２磁化固定層４０も垂直方向の磁気異方性を有する材料を含む例が示されている。ただし、図２０Ａ（斜視図）〜図２０Ｂ（ｚ−ｘ平面図）に示されるように、第２ａ磁化固定層４０ａ、第２ｂ磁化固定層４０ｂには、記憶層１０とは異なる方向の磁気異方性を有する材料を用いることもできる。図２０Ａ〜図２０Ｂの場合、記憶層１０は垂直磁気異方性を有する材料から形成され、一方第２ａ磁化固定層４０ａ及び第２ｂ磁化固定層４０ｂは面内磁気異方性を有する材料から形成されている。図２０Ａ〜図２０Ｂに示されるような構成においても、面内方向の外部磁界によって磁化状態を初期化し、磁壁領域１２に磁壁を導入することができる。この場合には、＋ｘ方向に十分大きな外部磁界を印加し、一旦全ての磁化を＋ｘ方向に揃えた後、外部磁界を立ち下げると、磁化の緩和が起こり、図２０Ａ〜図２０Ｂに矢印で示されるような磁化状態が実現される。【００６５】
また、図１２Ａ〜図１２Ｂや図１９Ａ〜図１９Ｂ、図２０Ａ〜図２０Ｂで示される第２磁化固定層４０を用いることなく、磁化状態を初期化し、磁壁領域１２に磁壁を導入することも可能である。その方法の一例が図２１Ａ〜図２１Ｃ（ｘ−ｙ平面図）に示されている。図２１Ａ〜図２１Ｃに示される例において、記憶層１０の第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂが平行四辺形にパターニングされ、かつそれらは磁壁領域１２を挟んで略線対称となるように形成される。なお、記憶層１０は垂直磁気異方性を有するものとする。図２１Ａ〜図２１Ｃのような形状にパターニングされた記憶層１０において、十分大きな外部磁界を−ｙ方向に印加する。このとき図２１Ｂに示されるように全ての磁化は−ｙ方向に飽和し、これによって図に＋、−で表されたような磁極が発生する。図２１Ｃではこの磁極によって生ずる磁場が及ぼす第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化へのトルクの方向が示されている。図２１Ｃに示されるようなトルクを受けることによって、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁化はこのトルクによって回転し、図２１Ａで示されるような状態が実現される。【００６６】
図２０Ａ〜図２０Ｂで示されたような第２磁化固定層４０を用いることなく、記憶層１０の磁化が面内方向に飽和した状態からの緩和過程での磁化の初期化を行うためには、一般的には記憶層１０の形状が以下のようであればよい。まず磁壁領域１２を貫通する方向をｘ方向とする。次に、第１磁化固定領域１１ａは平行四辺形で構成され、その斜辺はｘ方向に対して第１の方向αに傾斜して形成される。また同様に第２磁化固定領域１１ｂも平行四辺形で構成され、その斜辺はｘ方向に対して第２の方向βに傾斜して形成される。第１の方向αと第２の方向βが図２１Ａに示されている。ここで第１の方向αと第２の方向βのｘ方向と直交する成分が同符号であるとき、ここで説明されたような磁化の緩和過程によって磁化の初期化が可能である。なお、第１の方向αと第２の方向βのｘ方向と直交する成分とは、ここではｙ方向成分のことであり、図の場合には、第１の方向αと第２の方向βのｙ方向成分はいずれも正である。また、この他の第２磁化固定層４０を用いない方法として、第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの磁気特性を互いに異ならせることによって、外部磁場による磁化状態の初期化を行うこともできる。具体的には第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの材料を互いに異なるものにする、結晶構造、組織を互いに異なるものにする、サイズを互いに異なるものにする方法などが挙げられる。【００６７】
（第３の変形例）
図２２Ａ〜図２２Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の第３の変形例の構造を模式的に示す斜視図及びｚ−ｘ平面図である。第３の変形例は読み出しのためのＭＴＪに関する。【００６８】
本実施の形態に係る磁気記憶素子では、読み出し機構として磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を用いる。このＭＴＪによって発現されるトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ）比は大きいほど、読み出し信号は大きくなり、読み出し時間は短縮される。そのため、ＴＭＲ比は大きいほどよい。図２２Ａ〜図２２Ｂでは、ＴＭＲ比を大きくするために、記憶層１０と第１非磁性層２０の間に挿入層１５が挿入される形態が示されている。挿入層１５はスピン分極率の大きな強磁性体から構成されることが好ましい。【００６９】
一般的に、ＴＭＲ比は第１非磁性層２０の上下の強磁性電極層のスピン偏極率が大きいほど大きくなる。従って、挿入層１５のスピン偏極率が大きければ、大きなＴＭＲ比が得られる。なお、挿入層１５の磁気異方性の方向には任意性がある。例えば記憶層１０が垂直磁気異方性の材料であっても、挿入層１５は垂直磁気異方性材料以外に、面内磁気異方性材料を用いてもよい。挿入層１５の材料として面内磁気異方性材料を用いた場合でも、その膜厚が十分薄ければ記憶層１０の磁化状態を乱すことなく、挿入層１５も記憶層１０の磁化と同方向を向くことができる。挿入層１５の材料としてはＦｅ、Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂなどが例示される。またその膜厚は１ｎｍ程度であることが好ましい。また、挿入層１５は第１非磁性層２０の結晶成長の配向をアシストすることもできる。例えば、第１非磁性層２０の材料として（１００）配向したＭｇＯを用いることで高いＴＭＲ比が得られることが報告されている。このＭｇＯの（１００）配向を促進させるような材料を挿入層１５に用いることによって、大きなＴＭＲ比を得ることができる。このための代表的な材料としてはＦｅ、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂなどが挙げられる。【００７０】
（第４の変形例）
図２３Ａ〜図２３Ｂ、図２４Ａ〜図２４Ｂ、図２５Ａ〜図２５Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の第４の変形例の構造を模式的に示す斜視図及び平面図である。第４の変形例は第１磁化固定層３０の構成、及びＭＴＪの位置に関する。【００７１】
本実施の形態に係る磁気記憶素子においては、読み出し機構として磁気トンネル接合（ＭＴＪ）を用いる。このＭＴＪにおいて、第１磁化固定層３０は読み出しの際の参照層としての役割を果たす。このためには第１磁化固定層３０は第１非磁性層２０との界面において、その磁化方向が一方向に固定されていればよく、その他の構成については任意性がある。
【００７２】
その例として、例えば図２３Ａ〜図２３Ｂに示されるように積層フェリ結合を有する積層膜から構成されてもよい。図２３Ａ〜図２３Ｂにおいては第１磁化固定層３０は、詳細には第１ａ磁化固定層３０ａ、第１ｂ磁化固定層３０ｂ、および結合層３１から構成される。第１ａ磁化固定層３０ａと第１ｂ磁化固定層３０ｂとの磁化は結合層３１を介して反平行方向に結合している。図２３Ａ〜図２３Ｂに示されるように、第１磁化固定層３０を、積層フェリ結合を有する積層膜により構成することによって、第１磁化固定層３０の磁化固定をより強固にすることができる上、外部への漏洩磁界を小さくすることができる。外部への漏洩磁界を小さくすることによって、記憶層１０、及び隣接ビットへの磁気的な影響を低減することができ、安定した動作がもたらされる。結合層３１にはＲＫＫＹ相互作用を示す金属材料を用いることが好ましい。具体的にはＲｕ、Ｃｕ、Ｉｒなどが例示される。【００７３】
また、図２４Ａ〜図２４Ｂに示されるように第１磁化固定層３０に隣接して、ピニング層３２を隣接させてもよい。ピニング層３２は第１磁化固定層３０の磁化をより強固に固定する機能を有する。ピニング層３２が第１磁化固定層３０に隣接して設けられることによって、第１磁化固定層３０の磁化はより強固に固定されるため、安定した動作がもたらされる。ピニング層３２の材料としては、反強磁性材料を用いることが好ましい。具体的にはＰｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｏなどが例示される。【００７４】
また、本実施の形態における読み出し機構であるＭＴＪの位置には任意性がある。図１０ではＭＴＪは記憶層１０の上面に隣接して設けられるものとして描かれているが、実際にはこの限りではない。変形例として、図２５Ａ〜図２５Ｂでは、ＭＴＪが記憶層１０の下面に隣接して設けられる例が示されている。記憶層１０とＭＴＪの位置関係は、製造プロセスの容易性の観点から、当業者が自由に選択することができる。【００７５】
（第５の変形例）
図２６Ａ〜図２６Ｂ、図２７Ａ〜図２７Ｂ、図２８Ａ〜図２８Ｂ、図２９Ａ〜図２９Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子の第５の変形例の構造を模式的に示すｘ−ｙ平面図である。第５の変形例は記憶層１０の磁気異方性、及び第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化の固定方向に関する。【００７６】
本実施の形態において、記憶層１０は強磁性体で構成される。記憶層１０を構成する第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂは、磁壁領域１２に対して互いに反対の方向に固定された磁化を有する。ここで記憶層１０の磁気異方性の方向、及び第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化の固定方向には任意性がある。これまでの図では、記憶層１０は垂直磁気異方性を有し、また第１磁化固定領域１１ａは＋ｚ方向、第２磁化固定領域１１ｂは−ｚ方向に固定されているものとして描かれている。しかし、図２６Ａ〜図２６Ｂ、図２７Ａ〜図２７Ｂ、図２８Ａ〜図２８Ｂ、図２９Ａ〜図２９Ｂでは、記憶層１０が面内磁気異方性を有する材料から構成される場合について、第１磁化固定領域１１ａ、第２磁化固定領域１１ｂの磁化の方向について示されている。【００７７】
図２６Ａ〜図２６Ｂはその一例であり、第１磁化固定領域１１ａが＋ｙ方向、第２磁化固定領域１１ｂが−ｙ方向に固定された場合を示している。この場合の“０”状態、“１”状態における磁化の状態がそれぞれ図２６Ａ、図２６Ｂに示されている。“０”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は＋ｚ方向を向き、また“１”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は−ｚ方向を向く。このような磁壁はしばしばブロッホ磁壁と参照される。【００７８】
図２７Ａ〜図２７Ｂは別の一例であり、第１磁化固定領域１１ａが＋ｙ方向、第２磁化固定領域１１ｂが−ｙ方向に固定された場合を示している。この場合の“０”状態、“１”状態における磁化の状態がそれぞれ図２７Ａ、図２７Ｂに示されている。“０”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は＋ｘ方向を向き、また“１”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は−ｘ方向を向く。このような磁壁はしばしばネール磁壁と参照される。【００７９】
図２８Ａ〜図２８Ｂは別の一例であり、第１磁化固定領域１１ａが＋ｘ方向、第２磁化固定領域１１ｂが−ｘ方向に固定された場合を示している。この場合の“０”状態、“１”状態における磁化の状態がそれぞれ図２８Ａ、図２８Ｂに示されている。“０”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は＋ｙ方向を向き、また“１”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は−ｙ方向を向く。このような磁壁はしばしばトランスバース磁壁と参照される。【００８０】
図２９Ａ〜図２９Ｂは別の一例であり、第１磁化固定領域１１ａが＋ｘ方向、第２磁化固定領域１１ｂが−ｘ方向に固定された場合を示している。この場合の“０”状態、“１”状態における磁化の状態がそれぞれ図２９Ａ、図２９Ｂに示されている。“０”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は＋ｚ方向を向き、また“１”状態においては、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は−ｚ方向を向く。このような磁壁はしばしばヴォルテックス磁壁と参照される。これは、磁壁領域１２に形成された磁壁の磁化は渦を巻くように形成されるためである。【００８１】
図２６Ａ〜図２６Ｂ、図２７Ａ〜図２７Ｂ、図２８Ａ〜図２８Ｂ、図２９Ａ〜図２９Ｂに示されたいずれの磁壁の場合でも、本実施の形態で用いる書き込み原理によって磁壁の磁化の反転が可能であり、本実施の形態を実施することができる。但し、低電流化の観点では、記憶層１０に垂直磁気異方性を用い、図２Ａ及び図２Ｂに示されたような形態のブロッホ磁壁を形成することが好ましい。なお、この場合のブロッホ磁壁とは、第１磁化固定領域１１ａの磁化が膜面垂直方向で一方の方向（図２Ａ〜図２Ｂの場合＋ｚ方向）に固定され、第２磁化固定領域１１ｂの磁化が膜面垂直方向で前記一方の方向とは反対方向（図２Ａ〜図２Ｂの場合−ｚ方向）に固定され、磁壁領域１２に形成される磁壁の磁化は、膜面方向で、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂを結ぶ方向（図２Ａ〜図２Ｂの場合ｘ方向）とは直交方向（図２Ａ〜図２Ｂの場合ｙ方向）に向くことができるような磁壁を意味する。【００８２】
上述のすべての変形例は、技術的な矛盾を生じない限り互いに組み合わせて用いてもよい。【００８３】
（第２の実施の形態）
（構造、メモリ状態）
本発明の第２の実施の形態に係る磁気記憶素子の構成について説明する。この磁気記憶素子は、記憶層１０と読み出し機構と局所磁場印加機構とを具備する。【００８４】
ここで、記憶層１０の構成は第１の実施の形態と同一である。すなわち、記憶層１０は強磁性体から構成される。好適には記憶層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。また記憶層１０は図１Ａ〜図１Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁壁領域１２とを具備する。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間に形成される。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは固定された磁化を有する。また、これらの磁化は磁壁領域１２に対して互いに反対の方向に固定されている。図２Ａ〜図２Ｂにはその磁化構造の例が矢印で模式的に示されている。図２Ａ及び図２Ｂの例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されている。なお、この磁化の固定方向には任意性がある。詳細については前述の通りである。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの固定磁化の遷移領域に相当する。すなわち磁壁領域１２には磁壁が形成される。また磁壁領域１２はこの磁壁をトラップする機能を有する。言い換えると、磁壁領域１２は磁壁のピンサイトの機能を有する。トラップの方法については前述の通りである。また磁壁領域１２に形成される磁壁は反転可能な磁化を有する。また、読み出し機構としては、第１の実施の形態と同様に、例えばＭＴＪを用いることができる。メモリ状態についても第１の実施の形態と同一である。すなわち磁壁領域１２に形成される磁壁の磁化の方向で情報を記憶する。具体的なメモリ状態の例は図３Ａ〜図３Ｂに示された通りである。図３Ａは当該磁気記憶素子における“０”状態での磁化状態を示しており、図３Ｂは当該磁気記憶素子における“１”状態での磁化状態を示している。図３Ａ及び図３Ｂの例の場合、磁壁領域１２の磁化は、“０”状態においては＋ｙ方向を向き、“１”状態においては−ｙ方向を向く。【００８５】
本実施の形態の特徴は、記憶層１０と読み出し機構に加えて、局所磁場印加機構が設けられることにある。局所磁場印加機構は磁壁領域１２に局所的な磁場を印加する。局所磁場印加機構の構成としては様々なものが考えられる。具体的な例は後述される。【００８６】
（書き込み方法）
本実施の形態は、第１の実施の形態とは異なる方法により書き込みを行う。第１の実施の形態では“０”書き込みも“１”書き込みも同方向の電流によって行う方式、すなわちトグル方式による書き込み方法を用いた。しかし、本実施の形態では“０”書き込みと“１”書き込みでは書き込み電流の方向が異なる。また書き込み前の読み出しは不要である。これらの特徴は局所磁場印加機構が備えられ、磁壁領域１２に局所磁場が印加されることに起因する。【００８７】
図３０Ａ及び図３０Ｂは、本実施の形態に係る記憶層の磁化構造の一例及び書き込み方法を模式的に示すｘ−ｙ平面図である。図３０Ａに示されるような“０”状態において“１”を書き込む場合、例えば書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを−ｘ方向に流す。このとき＋ｘ方向に伝導電子が流れ、磁壁領域１２の磁化は−ｙ方向に反転し、“１”書き込みが完了する。また図３０Ｂに示されるような“１”状態において“０”を書き込む場合、例えば書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅを＋ｘ方向に流す。このとき−ｘ方向に伝導電子が流れ、磁壁領域１２の磁化は＋ｙ方向に反転し、“０”書き込みが完了する。このように書き込み電流Ｉｗｒｉｔｅの方向を変えることで、記憶層１０に書き込む情報を変えることができる。この場合にはオーバーライトが可能であり、従って書き込み前の読み出しは不要である。【００８８】
（書き込み原理）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込みで用いる原理について説明する。図３１Ａ〜図３１Ｃ、図３２Ａ〜図３２Ｃは、本実施の形態に係る磁気記憶素子への情報の書き込みで用いる原理を説明する模式図及びグラフである。本実施の形態においては、局所磁場印加機構が設けられ、この局所磁場印加機構は磁壁領域１２に局所磁場を印加するが、この局所磁場はｘ方向であってもよいし、ｙ方向であってもよい。図３１Ａ及び図３１Ｂはｘ方向の局所磁場が印加される場合についての原理を示しており、図３２Ａ及び図３２Ｂはｙ方向の局所磁場が印加される場合のついての原理を示している。【００８９】
まず、図３１Ａ〜図３１Ｃを用いてｘ方向の局所磁場が印加される場合について説明する。
いま、図３１Ａに示されるように、磁化ｍが＋ｙ方向を向き、ここに局所磁場Ｈが＋ｘ方向に印加された場合を考える。この場合には、前記のＬＬＧ方程式の右辺第１項により磁化と磁場の間でのトルクが生じる。このトルクの方向は図３１ＡのトルクＴとして示されているように＋ｚ方向である。ここで図３０Ａに示されたような磁化状態を考え、＋ｚ方向にスピン偏極した伝道電子が＋ｘ方向に流れている場合を考える。このときスピン偏極した電子によって生ずるスピントランスファートルクは＋ｚ方向であり、前記の局所磁場Ｈと磁化によるトルクＴと同方向となる。すなわち局所磁場ＨによるトルクＴはスピントランスファートルクをアシストすることになる。これによって磁壁領域１２に形成された磁壁の電流誘起磁壁移動はアシストされ、その結果、磁壁移動に伴うピンサイトに起因した実効磁界によって磁壁の磁化ｍが−ｙ方向に反転することになる。【００９０】
一方、図３０Ａに示されたような磁化状態で電流が＋ｘ方向に流れ、−ｚ方向にスピン偏極した伝導電子が−ｘ方向に流れている場合には、局所磁場によって生ずるトルクとスピントランスファートルクは相殺しあう。この結果、磁壁移動は起こりにくくなり、実行磁場に起因した磁壁の磁化の反転は起こりにくくなる。すなわちこのように逆方向に電流を流した場合には書き込みは行われない。【００９１】
次に、図３１Ｂに示されるように、磁化ｍが−ｙ方向を向き、ここに局所磁場Ｈが＋ｘ方向に印加された場合を考える。この場合には、前記のＬＬＧ方程式の右辺第１項により磁化と磁場の間でのトルクが生じる。このトルクの方向は図３１ＢのトルクＴとして示されているように−ｚ方向である。ここで図３０Ｂに示されたような磁化状態を考え、−ｚ方向にスピン偏極した伝道電子が−ｘ方向に流れている場合を考える。このときスピン偏極した電子によって生ずるスピントランスファートルクは−ｚ方向であり、前記の局所磁場Ｈと磁化によるトルクＴと同方向となる。すなわち局所磁場ＨによるトルクＴはスピントランスファートルクをアシストすることになる。これによって磁壁領域１２に形成された磁壁の電流誘起磁壁移動はアシストされ、その結果、磁壁移動に伴うピンサイトに起因した実効磁界によって磁壁の磁化が＋ｙ方向に反転することになる。【００９２】
一方、図３０Ｂに示されたような磁化状態で電流が−ｘ方向に流れ、＋ｚ方向にスピン偏極した伝導電子が＋ｘ方向に流れている場合には、局所磁場によって生ずるトルクとスピントランスファートルクは相殺しあう。この結果、磁壁移動は起こりにくくなり、実行磁場に起因した磁壁の磁化の反転は起こりにくくなる。すなわちこのように逆方向に電流を流した場合には書き込みは行われない。【００９３】
このように磁壁領域１２において局所磁場が定常的に＋ｘ方向に印加されていることによって、記憶層１０に通ずる電流の方向で“０”、“１”を書き分けることができる。【００９４】
図３１Ｃは、前記のＬＬＧ方程式を用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。縦軸は閾値電流密度ｕｔｈ（ｍ／ｓ）、横軸は外部磁場Ｈ（Ｏｅ）をそれぞれ示す。本図では、磁壁領域１２の磁化が＋ｙ方向（図３１Ａ）、−ｙ方向（図３１Ｂ）のそれぞれの状態で外部磁場（局所磁場に相当）を印加しながら書き込み電流を導入した場合の閾値電流密度が示されている。図からわかるように、磁化が＋ｙ方向の場合と−ｙ方向の場合で閾値電流密度に差が見られることから、オーバーライトが可能であることがわかる。【００９５】
次に、図３２Ａ〜図３２Ｃを用いてｙ方向の局所磁場が印加される場合について説明する。
いま、図３０Ａに示されるように、磁壁領域１２の磁化が＋ｙ方向を向き、ここに＋ｚ方向にスピン偏極した伝導電子が＋ｘ方向に流れる場合を考える。このとき、スピントランスファートルクにより磁壁領域１２の磁化は＋ｚ方向に回転し、また磁壁は＋ｘ方向に移動する。そしてこの際、ピンサイトに起因した−ｚ方向の実効磁場により、磁壁の磁化は＋ｘ方向に回転する。この状態が図３２Ａに示されている。図３２Ａに示されるような磁化ｍが＋ｘ方向に回転した状態で−ｙ方向の局所磁場Ｈが印加された場合を考える。このとき磁化ｍと局所磁場Ｈにより＋ｚ方向のトルクＴが磁化ｍに働く。このトルクＴはスピン偏極した伝導電子によってもたらされるスピントランスファートルクと同方向であり、スピントランスファートルクをアシストする。従って、電流誘起磁壁移動、及びそれに付随した磁壁の磁化ｍの回転がアシストされ、磁壁の磁化ｍは−ｙ方向へと反転する。【００９６】
一方、初期状態において磁化が−ｙ方向を向き、ここに＋ｚ方向にスピン偏極した伝導電子が＋ｘ方向に流れる場合を考える（図示されてはいない）。このときには、スピントランスファートルクにより磁壁領域１２の磁化は＋ｚ方向に回転し、また磁壁は＋ｘ方向に移動する。そしてこの際、ピンサイトに起因した−ｚ方向の実効磁場により、磁壁の磁化は−ｘ方向に回転する。ここで−ｙ方向に局所磁場が印加された場合には、局所磁場と磁化の間で働くトルクは−ｚ方向となる。これはスピントランスファートルクを相殺する方向であり、電流誘起磁壁移動は妨げられ、磁化の＋ｙ方向への反転も妨げられる。すなわち初期状態での磁化が逆方向であるときには書き込みは行われない。【００９７】
また、図３０Ｂに示されるように、磁壁領域１２の磁化が−ｙ方向を向き、ここに−ｚ方向にスピン偏極した伝導電子が−ｘ方向に流れる場合を考える。このとき、スピントランスファートルクにより磁壁領域１２の磁化は−ｚ方向に回転し、また磁壁は−ｘ方向に移動する。そしてこの際、ピンサイトに起因した＋ｚ方向の実効磁場により、磁壁の磁化は−ｘ方向に回転する。この状態が図３２Ｂに示されている。図３２Ｂに示されるような磁化ｍが−ｘ方向に回転した状態で＋ｙ方向の局所磁場Ｈが印加された場合を考える。このとき磁化ｍと局所磁場Ｈにより−ｚ方向のトルクＴが磁化ｍに働く。このトルクＴはスピン偏極した伝導電子によってもたらされるスピントランスファートルクと同方向であり、スピントランスファートルクをアシストする。従って、電流誘起磁壁移動、及びそれに付随した磁壁の磁化ｍの回転がアシストされ、磁壁の磁化ｍは＋ｙ方向へと反転する。【００９８】
一方、初期状態において磁化が＋ｙ方向を向き、ここに−ｚ方向にスピン偏極した伝導電子が−ｘ方向に流れる場合を考える（図示されてはいない）。このときには、スピントランスファートルクにより磁壁領域１２の磁化は−ｚ方向に回転し、また磁壁は−ｘ方向に移動する。そしてこの際、ピンサイトに起因した＋ｚ方向の実効磁場により、磁壁の磁化は＋ｘ方向に回転する。ここで＋ｙ方向に局所磁場が印加された場合には、局所磁場と磁化の間で働くトルクは＋ｚ方向となる。これはスピントランスファートルクを相殺する方向であり、電流誘起磁壁移動は妨げられ、磁化の−ｙ方向への反転も妨げられる。すなわち初期状態での磁化が逆方向であるときには書き込みは行われない。【００９９】
このように磁壁領域１２においてｙ方向の局所磁場が印加され、これが書き込みデータに応じて＋ｙ、−ｙ方向で変化するとき、記憶層１０に通ずる電流の方向で“０”、“１”を書き分けることができる。【０１００】
図３２Ｃは、前記のＬＬＧ方程式を用いたシミュレーションの結果を示すグラフである。縦軸は閾値電流密度ｕｔｈ（ｍ／ｓ）、横軸は外部磁場Ｈ（Ｏｅ）をそれぞれ示す。本図では磁壁領域１２の磁化が＋ｙ方向（図３２Ａ）、−ｙ方向（図３２Ｂ）のそれぞれの状態で外部磁場（局所磁場に相当）を印加しながら電流を導入した場合の閾値電流密度が示されている。図からわかるように、磁化が＋ｙ方向の場合と−ｙ方向の場合で閾値電流密度に差が見られることから、オーバーライトが可能であることがわかる。【０１０１】
なお、本実施の形態において設けられる局所磁場印加機構は、磁壁領域１２に所定の局所磁場を印加できればよく、それ以外の部分に印加される磁場は如何様であっても構わない。【０１０２】
（局所磁場印加方法）
前述のように、本実施の形態においては、局所磁場印加機構が備えられることによって選択的な書き込みが可能となる。図３３、図３４Ａ〜図３４Ｂ、図３５Ａ〜図３５Ｂ、図３６Ａ〜図３６Ｂ、図３７Ａ〜図３７Ｂ、図３８Ａ〜図３８Ｂは、本実施の形態に係る局所磁場印加機構の構成例を示すｘ−ｙ平面図、斜視図及びｚ−ｘ平面図である。なお、図３３、図３４Ａ〜図３４Ｂ、図３５Ａ〜図３５Ｂ、図３６Ａ〜図３６Ｂ、図３７Ａ〜図３７Ｂは、ｘ方向の局所磁場を印加する方法を示している。図３８Ａ〜図３８Ｂは、ｙ方向の局所磁場を印加する方法を示している。【０１０３】
ｘ方向の局所磁場を印加する方法のうちの第１の方法が図３３に示されている。第１の方法では、磁気メモリ９０のチップ全体に磁場がかかるように磁場印加機構が設けられる。このような形態はパッケージに専用の磁石２１０を装着することによって実施が可能である。【０１０４】
またｘ方向の局所磁場を印加する方法のうちの第２の方法が図３４Ａ〜図３４Ｂ、図３５Ａ〜図３５Ｂに示されている。第２の方法では、磁気記憶素子ごとに専用の磁場印加機構が設けられる。図３４Ａ〜図３４Ｂ、図３５Ａ〜図３５Ｂにおいては、記憶層１０の近傍に磁石層２１０ａ、２１０ｂが設けられた例が示されている。図３４Ａ〜図３４Ｂにおいて、第１磁石層２１０ａ、第２磁石層２１０ｂが＋ｘ方向に磁化されているため、磁石層２１０から生ずる磁束によって磁壁領域１２に＋ｘ方向の局所磁場が印加される。なお、磁石層２１０の位置や数は磁壁領域１２に局所磁場がかかれば如何様であってもよい。また磁石層２１０は記憶層１０と隣接していてもよい。図３４Ａ〜図３４Ｂでは磁石層２１０はｘ方向に磁化しているものとして描かれている。しかし、図３５Ａ〜図３５Ｂに示されるように、＋ｚ方向に磁化してもよい。図３５Ａ〜図３５Ｂに示されるように、第１磁石層２１０ａが＋ｚ方向に磁化し、第２磁石層２１０ｂが−ｚ方向に磁化し、第１磁石層２１０ａと第２磁石層２１０ｂと記憶層１０が図のような位置関係にあるとき、磁壁領域１２には＋ｘ方向の局所磁場が印加される。また磁石層２１０は第１の実施の形態の第２の変形例で説明された、記憶層１０の磁化状態を初期化するための第２磁化固定層４０の役割を兼ねることもできる。【０１０５】
またｘ方向の局所磁場を印加する方法のうちの第３の方法が図３６Ａ〜図３６Ｂに示されている。第３の方法では、記憶層１０の近傍に磁場印加機構として配線層２２０が設けられる。配線層２２０は導電性の材料により構成される。書き込みの際は導電層２２０に電流を流すことによって磁壁領域１２に局所磁場が誘起される。配線層２２０に流す電流の方向により磁壁領域１２に印加される磁場の方向を変えることができる。書き込みの際には記憶層１０に電流を導入するが、この電流経路に配線層２２０が設けられてもよい。また配線層２２０は複数の磁気記憶素子に共通して設けられてもよい。すなわち、磁気メモリセルのアレイの１列、または１行に沿って共通の配線層２２０が設けられてもよい。【０１０６】
ｘ方向の局所磁場を印加する方法のうちの第４の方法が図３７Ａ〜図３７Ｂに示されている。第４の方法では、磁壁領域１２と交換結合した強磁性層２４０が設けられる。また好適には強磁性層２４０と磁壁領域１２の磁化を結合させるために、結合層２３０が設けられる。強磁性層２４０は強磁性体により構成される。さらに強磁性層２４０の磁化は結合層２３０を介して磁壁領域１２に伝達される。これによって磁壁領域２４０は強磁性層２４０から交換結合によって伝達された実効的な局所磁場を感じることになる。なお、強磁性層２４０はｘ方向の磁気異方性を有することが好ましい。結合層２３０にはさまざまな材料を用いることができる。例えば極薄の金属材料を用いて通常の交換結合により強磁性層２４０と磁壁領域１２を結合させてもよい。またＲｕなどの金属材料を用いてＲＫＫＹ相互作用により強磁性層２４０と磁壁領域１２を結合させてもよい。【０１０７】
また図３８Ａ〜図３８Ｂにはｙ方向の局所磁場を印加する方法の例が示されている。前述の通り、ｙ方向の局所磁場を印加して選択的な書き込みを行う場合には、書き込みデータに応じてｙ方向の局所磁場の符号を変える必要がある。図３８Ａ〜図３８Ｂではその方法の一例が示されている。このために図３８Ａ〜図３８Ｂに示される方法においては、記憶層１０の下側に導電層２５０が設けられ、この導電層２５０によって発生する電流誘起磁界が磁壁領域１２に印加される。すなわち、導電層２５０を流れる電流の向きで磁壁領域１２に印加されるｙ方向の磁場の符号を変えることができる。なお、導電層２５０は記憶層１０とは別に設けられてもよいが、図３８Ａ〜図３８Ｂに示されるように記憶層１０に隣接して設けられてもよい。この場合には導電層２５０は記憶層１０の下地層の役割を兼ねることができる。また図には示されていないが、導電層２５０は記憶層１０の上面に隣接し、これによって導電層２５０のキャップ層の役割を兼ねることもできる。【０１０８】
本実施の形態においても、第１の実施の形態において説明されたような変形例を、技術的な矛盾が発生しない範囲で組み合わせて用いることができる。【０１０９】
（第３の実施の形態）
（構造）
本発明の第３の実施の形態に係る磁気記憶素子について説明する。この磁気記憶素子は、記憶層１０と読み出し機構と補助記憶層３１０とを具備する。【０１１０】
図３９Ａ〜図３９Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０の構成の一例を示す斜視図及びｚ−ｘ平面図である。
記憶層１０の構成は第１の実施の形態と同一である。すなわち、記憶層１０は強磁性体から構成される。好適には記憶層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。また記憶層１０は図１Ａ〜図１Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁壁領域１２とを具備する。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間に形成される。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは固定された磁化を有する。また、これらの磁化は磁壁領域１２に対して互いに反対の方向に固定されている。図２Ａ〜図２Ｂにはその磁化構造の例が矢印で模式的に示されている。図２Ａ〜図２Ｂの例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されている。なお、この磁化の固定方向には任意性がある。詳細については前述の通りである。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの固定磁化の遷移領域に相当する。すなわち磁壁領域１２には磁壁が形成される。また磁壁領域１２はこの磁壁をトラップする機能を有する。言い換えると、磁壁領域１２は磁壁のピンサイトの機能を有する。トラップの方法については前述の通りである。また磁壁領域１２に形成される磁壁は反転可能な磁化を有する。また読み出し機構としては、第１の実施の形態と同様に、例えばＭＴＪを用いることができる。図３９Ａ〜図３９Ｂでは読み出し機構の例としてＭＴＪが設けられた形態が示されている。それによれば、補助記憶層３１０に隣接して第１非磁性層３２０が設けられ、また第１非磁性層３２０に隣接して補助記憶層３１０とは反対側に第１磁化固定層３３０が設けられている。第１非磁性層は非磁性体から構成される。また第１磁化固定層３３０は強磁性体から構成され、且つ磁壁領域１２の磁化が取り得る磁化の方向と同方向に固定された磁化を有する。図３９Ａ〜図３９Ｂの場合には、＋ｙ方向に固定された磁化を有している。【０１１１】
本実施の形態の特徴は、記憶層１０と読み出し機構に加えて、補助記憶層３１０が設けられることにある。補助記憶層３１０は強磁性体から構成される。また、補助記憶層３１０の磁化は磁壁領域１２の磁化と磁気的に結合している。この磁気結合のために結合層３１５が設けられてもよい。図３９Ａ〜図３９Ｂでは記憶層１０の磁壁領域１２に隣接して結合層３１５が設けられ、また結合層３１５に隣接して磁壁領域１２とは反対側に補助記憶層３１０が設けられる例が示されている。補助記憶層３１０の磁化は、磁壁領域１２に形成される磁壁の磁化の方向に応じてその磁化方向を変えることができる。言い換えると、磁壁領域１２の磁化の方向が変化したとき、補助記憶層３１０の磁化の方向も変化する。なお、補助記憶層３１０の磁化容易軸の方向は如何様であっても構わない。ただし補助記憶層３１０の磁気異方性は磁壁領域１２の磁化が取り得る方向と同一平面に設けられることが好ましい。従って、記憶層１０の磁気異方性の方向とは直交する平面内を向くことが望ましい。すなわち、図３９Ａ〜図３９Ｂの場合には記憶層１０の磁気異方性はｚ方向に設けられているので、補助記憶層３１０の磁気異方性はｚ軸と直交するｘ−ｙ平面のいずれかの方向を向くように設けられることが好ましい。結合層３１５は、磁壁領域１２と補助記憶層３１０を磁気的に結合できさえすれば、どのような材料を用いても構わない。例えば、Ｒｕなどの金属を用いてＲＫＫＹ相互作用により磁気結合をさせることができる。【０１１２】
本実施の形態においても、情報は磁壁領域１２の磁化の方向で記憶される。情報の書き込みは第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に記憶層１０に電流を導入することで行われる。すなわち、書き込み方法は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様であり、その詳細は説明が重複するので省略する。【０１１３】
（メモリ状態）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子のメモリ状態について説明する。図４０Ａ〜図４０Ｂ、図４１Ａ〜図４１Ｂ、図４２Ａ〜図４２Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子のメモリ状態を示す斜視図である。なお、図４０Ａ〜図４０Ｂ、図４１Ａ〜図４１Ｂ、図４２Ａ〜図４２Ｂでは、簡単のために記憶層１０と補助記憶層３１０のみが示されている。【０１１４】
図４０Ａ〜図４０Ｂでは記憶層１０の磁気異方性が垂直方向、すなわちｚ軸方向に設けられ、かつ補助記憶層３１０の磁気異方性がｘ方向に設けられる場合における、“０”、“１”それぞれの状態での磁化状態が模式的に示されている。なお、ここで記憶層１０と補助記憶層３１０は強磁性的に結合しているものとする。図４０Ａでは“０”状態での磁化の状態が示されている。“０”状態においては磁壁領域１２の磁化は＋ｙ方向を向くものとする。このとき補助記憶層３１０の磁化ｍ３１０は磁化容易軸であるｘ方向から＋ｙ方向に回転する。また図４０Ｂでは“１”状態での磁化の状態が示されている。“１”状態においては磁壁領域１２の磁化は−ｙ方向を向くものとする。このとき補助記憶層３１０の磁化ｍ３１０は磁化容易軸であるｘ方向から−ｙ方向に回転する。このように図４０図４０Ａ〜図４０Ｂに示されたような補助記憶層３１０の磁気異方性がｘ方向に設けられる場合、磁壁領域１２の＋ｙ、−ｙ方向の磁化を反映して、補助記憶層の磁化ｍ３１０はｘ軸回りに回転する。【０１１５】
図４１Ａ〜図４１Ｂでは記憶層１０の磁気異方性が垂直方向、すなわちｚ軸方向に設けられ、かつ補助記憶層３１０の磁気異方性がｙ方向に設けられる場合における、“０”、“１”それぞれの状態での磁化状態が模式的に示されている。なお、ここで記憶層１０と補助記憶層３１０は強磁性的に結合しているものとする。図４１Ａでは“０”状態での磁化の状態が示されている。“０”状態においては磁壁領域１２の磁化は＋ｙ方向を向くものとする。このとき補助記憶層３１０の磁化ｍ３１０は記憶層１０との強磁性的な結合によって＋ｙ方向を向く。また図４１Ｂでは“１”状態での磁化の状態が示されている。“１”状態においては磁壁領域１２の磁化は−ｙ方向を向くものとする。このとき補助記憶層３１０の磁化ｍ３１０は記憶層１０との強磁性的な結合によって−ｙ方向を向く。このように図４１Ａ〜図４１Ｂに示されたような補助記憶層３１０の磁気異方性がｙ方向に設けられる場合、磁壁領域１２の＋ｙ、−ｙ方向の磁化を反映して、補助記憶層の磁化ｍ３１０はｙ軸方向で磁化反転する。【０１１６】
図４２Ａ〜図４２Ｂでは記憶層１０の磁気異方性が垂直方向、すなわちｚ軸方向に設けられ、かつ補助記憶層３１０の磁気異方性がｙ方向に設けられる場合における、“０”、“１”それぞれの状態での磁化状態が模式的に示されている。なお、ここで記憶層１０と補助記憶層３１０は反強磁性的に結合しているものとする。図４２Ａでは“０”状態での磁化の状態が示されている。“０”状態においては磁壁領域１２の磁化は＋ｙ方向を向くものとする。このとき補助記憶層３１０の磁化ｍ３１０は記憶層１０との反強磁性的な結合によって−ｙ方向を向く。また図４２Ｂでは“１”状態での磁化の状態が示されている。“１”状態においては磁壁領域１２の磁化は−ｙ方向を向くものとする。このとき補助記憶層３１０の磁化ｍ３１０は記憶層１０との反強磁性的な結合によって＋ｙ方向を向く。このように図４２Ａ〜図４２Ｂに示されたような補助記憶層３１０の磁気異方性がｙ方向に設けられる場合、磁壁領域１２の＋ｙ、−ｙ方向の磁化を反映して、補助記憶層の磁化ｍ３１０はｙ軸方向で磁化反転する。【０１１７】
このように補助記憶層３１０の磁化容易軸は図４０Ａ〜図４０Ｂに示されたようにｘ軸方向に設けられてもよく、図４１Ａ〜図４１Ｂ、図４２Ａ〜図４２Ｂに示されたようにｙ軸方向に設けられてもよい。図４１Ａ〜図４１Ｂ、図４２Ａ〜図４２Ｂに示されたようにｙ軸方向に磁化容易軸が設けられた場合には、後に説明されるように大きな読み出し信号が得られる。一方図４０Ａ〜図４０Ｂに示されたようにｘ軸方向に磁化容易軸が設けられた場合には、磁壁領域１２との間での磁気結合は弱くても補助記憶層３１０の磁化は応答することができる。【０１１８】
（読み出し方法）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０からの情報の読み出し方法について説明する。図４３Ａ〜図４３Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子のうち、図３９に示された磁気記憶素子７０の構成における読み出し方法を示すｚ−ｘ平面図である。図４３Ａは“０”状態での各層の磁化の状態が、図４３Ｂでは“１”状態での各層の磁化の状態がそれぞれ示されている。なお、磁壁領域１２と補助記憶層３１０の磁化は強磁性的に結合しているものとして図が描かれている。また第１磁化固定層３３０は−ｙ方向に固定された磁化を有するものとする。【０１１９】
いま図４３Ａのように磁壁領域１２の磁化が＋ｙ方向に磁化した状態においては、補助記憶層３１０は磁壁領域１２との強磁性結合により＋ｙ方向を向く。このとき第１磁化固定層３３０と第１非磁性層３２０と補助記憶層３１０の間で形成されるＭＴＪにおいては、磁化が平行方向となるため、低抵抗が実現される。また図４３Ｂのように磁壁領域１２の磁化が−ｙ方向に磁化した状態においては、補助記憶層３１０は磁壁領域１２との強磁性結合により−ｙ方向を向く。このとき第１磁化固定層３３０と第１非磁性層３２０と補助記憶層３１０の間で形成されるＭＴＪにおいては、磁化が反平行方向となるため、高抵抗が実現される。【０１２０】
このように補助記憶層３１０は磁壁領域１２の磁化情報を読み出しのために拡大することができる。すなわち、一般的には磁壁領域１２において形成される磁壁のｘ方向の幅は通常数１０ｎｍ程度であるが、この磁化を補助記憶層３１０のサイズにまで拡大できる。またこれに加えて、補助記憶層３１０にスピン偏極率の大きな材料を用いることによってＴＭＲ比を容易に増大させることができ、読み出し信号を増大することができる。【０１２１】
（変形例）
本実施の形態においても様々な変形例を用いることができる。
例えば、補助記憶層３１０の位置は、磁壁領域１２の磁化との間で磁気結合さえすれば、どこであってもよい。例えば記憶層１０と同一平面であってもよく、また記憶層１０よりも下側に位置してもよい。また補助記憶層３１０の形状についても任意性がある。加えて、補助記憶層３１０は第２の実施の形態において図３７Ａ〜図３７Ｂを用いて説明された強磁性層２４０の役割を兼ねることができる。ただしこの場合には図４０Ａ〜図４０Ｂで示されたように、補助記憶層３１０の磁化の向きはｘ方向に設けられることが好ましい。この他、本実施の形態は、第２の実施の形態及び第１の実施の形態において説明されたような変形例を、技術的に矛盾しない範囲で組み合わせて用いることができる。【０１２２】
（第４の実施の形態）
（構造）
次に、本発明の第４の実施の形態に係る磁気記憶素子について説明する。この磁気記憶素子は、記憶層１０と読み出し機構とを具備する。【０１２３】
図４４Ａ〜図４４Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０の構造の一例を示す斜視図及びｚ−ｘ平面図である。
記憶層１０の構成は第１の実施の形態と同一である。すなわち、記憶層１０は強磁性体から構成される。好適には記憶層１０は垂直磁気異方性を有する強磁性体から構成される。また記憶層１０は図１Ａ〜図１Ｂに示されるように第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂと磁壁領域１２とを具備する。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間に形成される。第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂは固定された磁化を有する。また、これらの磁化は磁壁領域１２に対して互いに反対の方向に固定されている。図２Ａ〜図２Ｂにはその磁化構造の例が矢印で模式的に示されている。図２Ａ〜図２Ｂの例では、第１磁化固定領域１１ａの磁化は＋ｚ方向に固定されており、第２磁化固定領域１１ｂの磁化は−ｚ方向に固定されている。なお、この磁化の固定方向には任意性がある。詳細については前述の通りである。磁壁領域１２は第１磁化固定領域１１ａ及び第２磁化固定領域１１ｂの固定磁化の遷移領域に相当する。すなわち磁壁領域１２には磁壁が形成される。また磁壁領域１２はこの磁壁をトラップする機能を有する。言い換えると、磁壁領域１２は磁壁のピンサイトの機能を有する。トラップの方法については前述の通りである。また磁壁領域１２に形成される磁壁は反転可能な磁化を有する。【０１２４】
本実施の形態の特徴は、読み出し方法として異常ホール効果を用いることにある。そのために読み出し機構として磁壁領域１２にホールクロスが設けられる。図４４Ａ〜ｚう４４Ｂの場合、ホールクロスとして磁壁領域１２の上部に上部電極４１０ｔが設けられ、磁壁領域１２の下部に下部電極４１０ｂが設けられている。上部電極４１０ｔ、下部電極４１０ｂは導電性の材料から構成される。【０１２５】
本実施の形態においても、情報は磁壁領域１２の磁化の方向で記憶される。情報の書き込みは第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様に記憶層１０に電流を導入することで行われる。すなわち、書き込み方法は、第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同様であり、その詳細は説明が重複するので省略する。【０１２６】
（読み出し方法）
次に、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０における情報の読み出し方法について説明する。図４５Ａ〜図４５Ｂは、本実施の形態に係る磁気記憶素子７０における情報の読み出し方法を示す斜視図である。前述の通り本実施の形態においては、ホールクロスが設けられ、読み出しには異常ホール効果が用いられる。図４５Ａには“０”状態における磁化の状態が示されている。この状態で上部電極４１０ｔから下部電極４１０ｂに電流を流した場合を考える。このとき、伝導電子は下部電極４１０ｂから磁壁領域１２を経由して上部電極４１０ｔに流れる。この際、磁壁領域１２では、磁壁の磁化と伝導電子の間でのローレンツ力（Ｆ＝ｑｖ×Ｂ）が働き、伝導電子は＋ｘ方向への力を受ける。これによって第１磁化固定領域１１ａは正電位に、第２磁化固定領域１１ｂは負電位に帯電し、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間でホール起電力が発生する。また図４５Ｂには“１”状態における磁化の状態が示されている。この状態で上部電極４１０ｔから下部電極４１０ｂに電流を流した場合を考える。このとき、伝導電子は下部電極４１０ｂから磁壁領域１２を経由して上部電極４１０ｔに流れる。この際、磁壁領域１２では、磁壁の磁化と伝導電子の間でのローレンツ力（Ｆ＝ｑｖ×Ｂ）が働き、伝導電子は−ｘ方向への力を受ける。これによって第１磁化固定領域１１ａは負電位に、第２磁化固定領域１１ｂは正電位に帯電し、第１磁化固定領域１１ａと第２磁化固定領域１１ｂとの間でホール起電力が発生する。このように、“０”状態と“１”状態で発生するホール起電力の符号が逆であり、このホール起電力を測定することによって磁壁領域１２の磁化の状態の方向を読み出すことができる。【０１２７】
（変形例）
本実施の形態においても様々な変形例を用いることができる。例えば、本実施の形態において設けられるホールクロスは、磁壁のピンサイトを形成するのに寄与することができる。このためには上部電極４１０ｔ、及び下部電極４１０ｂの少なくとも一方が強磁性体から構成されることが好ましい。Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，  ｖｏｌ．９０，  ｐ．０７２５０８  （２００７）ではホールクロスに強磁性体を用いた場合、その部分が磁壁のピンサイトとなることが実験で示されている。この他、本実施の形態は、第２の実施の形態及び第１の実施の形態において説明されたような変形例を、技術的に矛盾しない範囲で組み合わせて用いることができる。【０１２８】
本発明に係る磁気記憶素子、及び磁気メモリで得られる第１の効果は書き込み速度の高速化である。本発明に係る磁気記憶素子、および磁気メモリで用いる書き込みにおいては、磁性素子に直接電流を流したときに発生するスピントランスファートルクを利用する。従って書き込み電流のスケーリング特性には優れ、書き込み電流の低減が可能である。一方で、ピンサイトによって誘起される実効的な磁界によって磁化が反転するため、高速での磁化反転が可能となる。実際に１ナノ秒以下という非常に短い時間での書き込みが可能である。【０１２９】
また本発明の第２の効果として、電流誘起磁壁移動方式と比べて書き込み電流の更なる低減が得られる。本発明では、磁壁に電流を導入するものの、磁壁を移動させるわけではなく、磁壁の磁化を反転させることを特徴とする。垂直磁化膜のような特殊な場合には、一般的に磁壁をピンサイトからデピンさせるのに必要な電流密度に比べて、磁壁をピンサイト内で反転させるのに必要な電流密度は小さくなる。これによって線幅が１２０ｎｍ程度以下のときに０．２ｍＡ程度以下への書き込み電流の低減が可能となる。【０１３０】
各実施の形態及び各変形例は、技術的な矛盾が発生しない限り本発明の技術思想の範囲内において相互に適用可能である。【０１３１】
本発明は上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変形又は変更され得ることは明らかである。【０１３２】
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。【０１３３】
本発明により、書き込み電流の大幅な低減（例示：０．２ｍＡ程度以下）を実現し、且つ書き込みに要する時間を大きく低減（例示：１ｎｓｅｃ．（ナノ秒）以下）することが可能となる。【０１３４】
この出願は、２００８年４月２８日に出願された特許出願番号２００８−１１６８９７号の日本特許出願に基づいており、その出願による優先権の利益を主張し、その出願の開示は、引用することにより、そっくりそのままここに組み込まれている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２４Ａ】
0005435412.tif 000049
【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３２Ｃ】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４１Ａ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４３Ａ】
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【図４３Ｂ】
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【図４４Ａ】
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【図４４Ｂ】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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