(57)【要約】【課題】高精度な磁壁移動の制御が可能な磁気メモリを提供する。【解決手段】実施形態の磁気メモリは、第１部分と第２部分との間において第１電気抵抗値を有するものであって、磁壁により隔てられた複数の磁区を形成する磁性細線と、磁性細線上に設けられた第１絶縁層と、第１絶縁層上に、磁性細線に沿って間隔を空けて設けられた複数の第１電極と、第３部分と第４部分との間において複数の第１電極の夫々と電気的に接続され、第１電気抵抗値よりも大きい第２電気抵抗値を有する第２電極と、磁性細線に対して、第１部分から第２部分へ流れるパルス電流を供給する電流供給部と、第２部分と前記第４部分との間に、時間の経過とともに減少する電圧を印加する電圧印加部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部分と第２部分を有し、前記第１部分と前記第２部分との間において第１電気抵抗値を有するものであって、磁壁により隔てられた複数の磁区を形成する磁性細線と、
前記磁性細線上に設けられた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に、前記磁性細線に沿って間隔を空けて設けられた複数の第１電極と、
前記第２部分との距離よりも前記第１部分との距離が近い第３部分と前記第１部分との距離よりも前記第２部分との距離が近い第４部分を有し、前記第３部分と前記第４部分との間において複数の前記第１電極の夫々と電気的に接続され、前記第１電気抵抗値よりも大きい第２電気抵抗値を有する第２電極と、
前記磁性細線に対して、前記第１部分から前記第２部分へ流れるパルス電流を供給する電流供給部と、
前記第２部分と前記第４部分との間に、時間の経過とともに減少する電圧を印加する電圧印加部と、
を備える磁気メモリ。
【請求項２】
前記電圧印加部は、前記磁性細線の電位より前記第２電極の電位が高い第１電圧を印加し、前記第１電圧が前記第２電極の前記第３部分に到達するまで減少する電圧を印加する請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項３】
前記電流供給部は、前記第１電圧が前記第２電極の前記第３部分に到達するのと同期して前記パルス電流を供給する請求項２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
前記電圧印加部は、前記第１電圧が前記第３部分に到達した後に前記磁性細線の電位より前記第２電極の電位が低い第２電圧を印加し、前記第２電圧が前記第２電極の前記第３部分に到達するまで減少する電圧を印加する請求項３に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
前記電流供給部は、前記第２電圧が前記第２電極の前記第３部分に到達するのと同期して前記パルス電流を供給する請求項４に記載の磁気メモリ。
【請求項６】
前記第１電極と前記第２電極とが一体の部材である請求項１乃至５いずれか１項に記載の磁気メモリ。
【請求項７】
前記磁性細線に対して磁場を作用させる磁場発生部と、
前記磁区に含まれる磁化の方向を検出する検出部と、
を備える請求項１乃至６いずれか１項に記載の磁気メモリ。
【請求項８】
第１部分と第２部分を有し、前記第１部分と前記第２部分との間において第１電気抵抗値を有するものであって、磁壁により隔てられた複数の磁区を形成する磁性細線と、
前記磁性細線上に設けられた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に、前記磁性細線に沿って間隔を空けて設けられた複数の第１電極と、
前記第２部分との距離よりも前記第１部分との距離が近い第３部分と前記第１部分との距離よりも前記第２部分との距離が近い第４部分を有し、前記第３部分と前記第４部分との間において複数の前記第１電極の夫々と電気的に接続され、前記第１電気抵抗値よりも大きい第２電気抵抗値を有する第２電極と、
前記磁性細線に対して、前記第１部分から前記第２部分へ流れるパルス電流を供給する電流供給部と、
前記第１部分と前記第３部分との間に、時間の経過とともに増加する電圧を印加する電圧印加部と、
を備える磁気メモリ。
【請求項９】
第１部分と第２部分を有し、前記第１部分と前記第２部分との間において第１電気抵抗値を有するものであって、磁壁により隔てられた複数の磁区を形成する磁性細線と、
前記磁性細線上に設けられた第１絶縁層と、
前記第１絶縁層上に、前記磁性細線に沿って間隔を空けて設けられた複数の第１電極と、
前記第２部分との距離よりも前記第１部分との距離が近い第３部分と前記第１部分との距離よりも前記第２部分との距離が近い第４部分を有し、前記第３部分と前記第４部分との間において複数の前記第１電極の夫々と電気的に接続され、前記第１電気抵抗値よりも大きい第２電気抵抗値を有する第２電極と、
前記磁性細線に対して、前記第１部分から前記第２部分へ流れるパルス電流を供給する電流供給部と、
前記第２電極に対して、前記第３部分から前記第４部分に向けて減少する電位分布を与える電位調整部と、
を備える磁気メモリ。
【請求項１０】
前記電位調整部が、
前記第３部分に一定の電圧を印加する電圧印加部と、
前記第４部分に接続された抵抗と、
を備える請求項９に記載の磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁性細線中の磁区構造を使って情報を記録する装置の提案がなされている。近年、磁壁の位置を電流によって変えられることが実験的に明らかにされ、磁性細線を用いた磁気メモリの実現が期待されている。磁壁とは、磁化方向の異なる磁区の境界を示す。
【０００３】
磁性細線中の磁壁は、構成材料の均一性や形状が理想的な状態である場合は、外部からの磁場などによって容易に移動する。したがって、磁性細線を磁気メモリとして用いるためには磁壁を意図した場所に固定する手段が必要となる。一方、磁壁を強く固定しすぎると、磁壁を動かすために大きな駆動電流が必要となり、動作可能な磁気メモリが設計できないケースもある。このため、電界を用いて磁性細線内の磁壁に対する磁気エネルギーを動的に変化させることで磁壁移動を制御する方法が提供されている。このとき、磁気エネルギーが不安定となることがあるため、電界による高精度な磁壁移動の制御が難しい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６００７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高精度な磁壁移動の制御が可能な磁気メモリを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の磁気メモリは、第１部分と第２部分を有し、前記第１部分と前記第２部分との間において第１電気抵抗値を有するものであって、磁壁により隔てられた複数の磁区を形成する磁性細線と、前記磁性細線上に設けられた第１絶縁層と、前記第１絶縁層上に、前記磁性細線に沿って間隔を空けて設けられた複数の第１電極と、前記第２部分との距離よりも前記第１部分との距離が近い第３部分と前記第１部分との距離よりも前記第２部分との距離が近い第４部分を有し、前記第３部分と前記第４部分との間において複数の前記第１電極の夫々と電気的に接続され、前記第１電気抵抗値よりも大きい第２電気抵抗値を有する第２電極と、前記磁性細線に対して、前記第１部分から前記第２部分へ流れるパルス電流を供給する電流供給部と、前記第２部分と前記第４部分との間に、時間の経過とともに減少する電圧を印加する電圧印加部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る磁気メモリの構成図。
【図２】第１の実施形態に係る磁気メモリの入力部の構成図。
【図３】第１の実施形態に係る磁気メモリの磁壁移動の制御を説明する図。
【図４】第１の実施形態に係る磁気メモリの磁壁移動の制御を説明する図。
【図５】第１の実施形態に係る磁気メモリの磁壁移動の制御を説明する図。
【図６】第１の実施形態に係る磁気メモリの磁壁移動の制御を説明する図。
【図７】第１の実施形態に係る磁気メモリの検出部の構成図。
【図８】第１の実施形態に係る磁気メモリの磁壁移動の制御を説明する図。
【図９Ａ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｂ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｃ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｄ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｅ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｆ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｇ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図９Ｈ】第１の実施形態に係る磁気メモリの書き込み動作を説明する図。
【図１０Ａ】第１の実施形態に係る磁気メモリの読み込み動作を説明する図。
【図１０Ｂ】第１の実施形態に係る磁気メモリの読み込み動作を説明する図。
【図１０Ｃ】第１の実施形態に係る磁気メモリの読み込み動作を説明する図。
【図１０Ｄ】第１の実施形態に係る磁気メモリの読み込み動作を説明する図。
【図１０Ｅ】第１の実施形態に係る磁気メモリの読み込み動作を説明する図。
【図１０Ｆ】第１の実施形態に係る磁気メモリの読み込み動作を説明する図。
【図１１】第１の実施形態に係る磁気メモリのバッファ記録部の構成図。
【図１２Ａ】第１の実施形態に係る磁気メモリの製造方法を説明する図。
【図１２Ｂ】第１の実施形態に係る磁気メモリの製造方法を説明する図。
【図１２Ｃ】第１の実施形態に係る磁気メモリの製造方法を説明する図。
【図１２Ｄ】第１の実施形態に係る磁気メモリの製造方法を説明する図。
【図１２Ｅ】第１の実施形態に係る磁気メモリの製造方法を説明する図。
【図１２Ｆ】第１の実施形態に係る磁気メモリの製造方法を説明する図。
【図１３】第１の変形例に係る磁気メモリの構成図。
【図１４】第２の変形例に係る磁気メモリの構成図。
【図１５】第２の変形例に係る磁気メモリの構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比係数などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比係数が異なって表される場合もある。
【０００９】
（第１の実施形態）
図１は磁気メモリ１００を示す図である。図１の上図は、磁気メモリ１００のＡ−Ａ’断面図を示す。図１の下図は、磁気メモリ１００の上面図を示す。なお、図１において、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸はそれぞれ直交している。
【００１０】
磁気メモリ１００は、磁性細線２０と、磁性細線２０に設けられた一対の第１電極３０及び第２電極３５と、磁性細線２０上に設けられた第１絶縁層４０と、第１絶縁層４０上に、磁性細線２０に沿って離間して設けられた複数の第３電極５０と、磁性細線２０に沿って複数の第３電極５０と電気的に接続された第４電極６０とを備える。また、第４電極６０の一端（第４部分E1）とE1に最も近い磁性細線２０の一端（第２部分E3）との間に、時間の経過とともに（時間的に）単調に減少する電圧を印加する電圧印加部８０と、磁性細線２０に接続された電流供給部９０と、第１絶縁層４０上に設けられた電極６５と、電極６５に接続された磁場発生部９５と、磁性細線２０上に、磁化方向を検出する検出部１３０とを備える。
【００１１】
隣接する第３電極５０は、互いに第２絶縁層７０で絶縁されている。なお、磁性細線２０と基板１０の間に、Ｔａ、Ｒｕ、Ｔａ等を積層した多層膜を設けても良い。
【００１２】
磁性細線２０は、基板１０上に設けられ、ｘ軸方向に延在する導電性の部材である。磁性細線２０の材料としては、強磁性体、フェリ磁性体、又は人工格子を用いることが好ましい。
【００１３】
強磁性体として、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）、及びクロム（Ｃｒ）から選択される少なくとも一つの元素と、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、及びロジウム（Ｒｈ）から選択される少なくとも一つの元素との合金を磁性細線２０の構成材料として用いることができる。強磁性体として、例えばＣｏＰｔ、ＮｉＦｅ、ＣｏＣｒＰｔ等も用いることができる。強磁性体の特性は、組成の変更、熱処理等によって変化させることができる。
【００１４】
フェリ磁性体として、ＴｂＦｅＣｏ及びＧｄＦｅＣｏ等の希土類と遷移金属のアモルファス合金を磁性細線２０の構成材料として用いることができる。これらの材料は、スパッタ装置で薄膜として作製条件を選んで堆積すると磁化がｚ軸方向（積層方向）に向きやすくなる傾向があり、磁性細線２０の磁化をｚ軸方向に向けたい場合に用いることができる。
【００１５】
人工格子として、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、又はＣｏ／Ｎｉの積層構造を磁性細線２０の構成材料として用いることができる。これらの積層構造を用いることで、磁性細線２０の磁化をｚ軸方向に向けることが出来る。これらの積層構造は、最密六方構造の＜０００１＞配向、又は面心立方構造の＜１１１＞配向を有しやすい。
【００１６】
第１絶縁層４０及び第２絶縁層７０は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、及び鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物等を構成材料とする。第１絶縁層４０の比誘電率は、第２絶縁層７０の比誘電率よりも大きいことが好ましい。また、ｚ軸方向において、第２絶縁層７０の厚さは第１絶縁層４０の厚さよりも厚いことが好ましい。これは、磁性細線２０と第３電極５０との間に電圧を印加した際に、磁性細線２０と第３電極５０との間に電荷が分布しやすくなるためである。酸化物、フッ化物、窒化物は、軽元素を含むほど小さい比誘電率を示す傾向があるため、例えば第１絶縁層４０をMｇOで構成し、第２絶縁層７０をSiO2で構成することで比誘電率の差をつけることができる。
【００１７】
第１電極３０及び第２電極３５、第３電極５０、第４電極６０は、導電性の部材である。第１電極３０及び第２電極３５、第３電極５０、第４電極６０は、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、及びアルミニウム（Ａｌ）から選択される少なくとも一つの元素を構成材料として含む。また、これらの元素を組み合わせた合金によって第３電極５０、第４電極６０を構成してもよい。
【００１８】
第１電極３０（第２部分）は、磁性細線２０の一端（E3）に設けられる。また第２電極３５（第１部分）は、磁性細線２０の他端（E4）に設けられる。
【００１９】
第４電極６０のｘ軸方向両端の間での電気抵抗は、磁性細線２０の両端に設けられた第１電極３０と第２電極３５との間の電気抵抗に比べて大きい。具体的には、後述するように第４電極６０の電気抵抗値は、磁性細線２０の電気抵抗値の１０倍以上の値であることが好ましい。
【００２０】
この条件を満たすために、例えば第４電極６０のｚ軸方向の厚さは５nmより小さい値をとりうる。また、第４電極６０は、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などからなる微粒子を有するものであってもよい。
【００２１】
電圧印加部８０は、第４電極６０の一端（E1）に接続され、かつ第１電極３０に接続され、第４電極６０と第１電極３０との間、すなわち磁性細線２０と第３電極５０との間に、時間的に単調に減少する電圧を印加する。
【００２２】
電流供給部９０は、第１電極３０に接続され、磁性細線２０（第１電極３０と第２電極３５の間）にパルス電流を流すことで磁性細線２０の磁壁を移動させる。ここで、磁区とは、その内部において磁化の方向（磁化方向）が一様な領域のことを指す。隣接する２つの磁区の境界において、磁化方向は細線方向に連続的に変化する。このような磁化方向の変化領域は磁壁と呼ばれる。
【００２３】
磁場発生部９５は、電極６５に電流を流すことで発生する磁場を、磁性細線２０に作用させて磁性細線２０の一部の磁化方向を反転させる。磁壁は磁化方向が反転されることで磁性細線２０中に形成される。磁場発生部９５は、磁性細線２０の磁化方向を変化させることで、磁化方向の組み合わせに対応付けられた情報を磁性細線２０に書き込む。
【００２４】
他にも、磁場発生装置９５は、電極６５の代わりに、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すような入力部１１０、１２０を用いることで、磁性細線２０に情報を書き込むものであってもよい。
【００２５】
図２（Ａ）は入力部１１０を示す。
【００２６】
入力部１１０は、磁性細線２０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、反強磁性層５３、電極５４を備える。また、磁性細線２０の入力部１１０が設けられた側とは反対側には、電極７２が設けられている。磁性細線２０と電極７２との間に非磁性層等を介しても良い。
【００２７】
スペーサー層７１は、トンネル絶縁膜材料又は非磁性金属材料を用いることができる。
【００２８】
トンネル絶縁膜材料として、例えばアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、亜鉛（Ｚｎ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、鉄（Ｆｅ）から選択される少なくとも一つの元素を含む酸化物、窒化物、フッ化物、又は酸窒化物などを用いることができる。また、他にもＡｌＡｓ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＺｎＳｅ、ＺｎＯ、ＭｇＯなどの大きなエネルギーギャップを有する半導体材料を用いることもできる。
【００２９】
非磁性金属材料として、例えば銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、又はアルミニウム（Ａｌ）を用いることができる。また、これらの元素を組み合わせた合金でもよい。
【００３０】
図２（Ｂ）は入力部１２０を示す。入力部１２０は入力部１１０と動作原理が同じであるが、構成が異なる。
【００３１】
入力部１２０は、磁性細線２０上に設けられたスペーサー層７１、強磁性層５２、中間層６１、強磁性層６２、電極５４を備える。
【００３２】
入力部１１０または入力部１２０を用いる場合には、磁場発生部９５は、電極５４から電極７２に向けて電流を流すことで、磁性細線２０の磁化方向を変化させて磁性細線２０に情報を書き込むことができる。
【００３３】
図３は、第３電極５０と磁性細線２０との間に、時間的に一定な電圧を印加した場合に生じる磁性細線２０の磁気エネルギーを示す。
【００３４】
図３には、電圧印加開始後十分な時間を経た後の磁性細線２０の２つのパターンの磁気エネルギー状態図が示されている。一つ目の図は、第３電極５０の電位の方が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧を印加した（＋Ｖａｄｄ）ときの図である。すなわち、第３電極５０が正の電荷を帯びて、磁性細線２０が負の電荷を帯びている。二つ目の図は、第３電極５０の電位の方が磁性細線２０の電位よりも低くなるように電圧を印加（−Ｖａｄｄ）したときの図である。すなわち、第３電極５０が負の電荷を帯びて、磁性細線２０が正の電荷を帯びている。
【００３５】
ここで、Ｖａｄｄの大きさは、例えば第１絶縁層４０と磁性細線２０との間に生じる界面誘起の磁気異方性の電圧の変化量が0.06 erg/cm-2(1V/nm)程度で、第１絶縁層４０の膜厚が3nmであったとき、±3V程度である。ただし、昇圧回路が大きくなり過ぎると集積度の点で不利であるためＶａｄｄは±10Vを超えないことが望ましい。
【００３６】
電圧を印加しない状態（平衡状態）では、磁性細線２０のｙ−ｚ平面の断面形状により決まる磁化方向に依存した静磁エネルギーと、第１絶縁層４０と磁性細線２０との界面の電子状態の結果として生じる磁気エネルギーを合計したエネルギーが最小となるように、磁性細線２０中に形成される磁化は、磁性細線２０の延在方向に垂直な方向に向いている。
【００３７】
電圧印加部８０を用いて、第３電極５０が正の電荷を帯び、磁性細線２０が負の電荷を帯びるように電圧を印加する（一つ目の状態図に相当）。すると、第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分は、磁性細線２０のその他の部分、すなわち第２絶縁層７０の直下に位置する磁性細線２０の部分よりも高い磁壁に対する磁気エネルギーを有する。従って、磁性細線２０に電流を流して磁壁を移動させようとするとき、第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分から第２絶縁層７０の直下に位置する磁性細線２０の部分に向かって磁壁は容易に移動する。
【００３８】
しかしながら、逆の場合には磁壁は移動しない。すなわち、第２絶縁層７０の直下に位置する磁性細線２０の部分から第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分に向かって磁壁は移動しない。これは、第３電極５０と磁性細線２０との間に電圧を印加することで、磁性細線２０中の磁壁の移動を抑制するポテンシャル障壁が生じるためである。なお、ポテンシャル障壁を越えるような大きな電流を流せば磁壁は移動するが、磁壁の移動を制御することが難しくなる。
【００３９】
さらに、電圧印加部８０を用いて、第３電極５０が負の電荷を帯び、磁性細線２０が正の電荷を帯びるように電圧を印加する（二つ目の状態図に相当）。すると、第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分は、第２絶縁層７０の直下に位置する磁性細線２０の部分よりも低い磁壁に対する磁気エネルギーを有する。従って、磁性細線２０に電流を流して磁壁を移動させるようするとき、第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分から第２絶縁層７０の直下に位置する磁性細線２０の部分に向かって磁壁は移動しない。逆に、第２絶縁層７０の直下に位置する磁性細線２０の部分から第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分に向かって磁壁は容易に移動する。
【００４０】
磁気メモリ１００では、電圧印加部８０を用いて、このように磁性細線２０に対して、磁気エネルギーの高低を繰り返すように第３電極５０と磁性細線２０との間に電圧を印加する。この磁気エネルギーの高低を利用して、磁壁の移動を制御する。
【００４１】
磁性細線２０に電流を流すと図４に図示したように、電圧降下によって磁性細線２０内に電位差が生じる。磁性細線２０の断面積が小さい場合や磁性細線２０の長さが長くなってくると、この電圧降下が第３電極５０と磁性細線２０との間に印加する電圧と同等程度の大きさになり、図４に図示するように電圧印加による磁壁に対する磁気エネルギーの変調が不均一になってしまう。この結果、高精度な磁壁移動の制御が困難になる。例として、磁性細線２０の長さが10umで断面積が100nm2で抵抗が200kOhmのとき10uAの電流を流すと、その際に生じる電位降下は2Vである。
【００４２】
そこで、図５にあるように第４電極６０内にも磁性細線２０内での電圧降下と同様の電位分布を実現することで、この困難を回避することができる。図にあるように第４電極６０内に磁性細線２０内と同程度の傾斜を持つ電位勾配があると、磁壁に対する磁気エネルギーの変調の不均一性を解消することができる。
【００４３】
前述のように、第４電極６０の電気抵抗を磁性細線２０に比べて極端に大きくすることで、磁性細線２０内での電圧降下を補償するような電位分布を第４電極６０内に比較的容易に作り出すことが可能となる。
【００４４】
一般的に、細線内の電気信号（電圧）の伝搬時間は細線自身の抵抗と寄生容量の掛け算にほぼ比例する。磁気メモリ１００の第４電極６０と磁性細線２０は第１絶縁層４０を共有しているので、磁性細線２０内を伝搬する電気信号の速度と第４電極６０を伝搬する電気信号の速度の比はそれぞれの抵抗の比とおおよそ同じと考えられる。一方、第４電極６０の電気抵抗だけを大きくすれば、電気信号の伝搬速度に差がつく。
【００４５】
例として、第４電極６０の幅が10nm、長さが5umで第１絶縁層４０にＭｇＯを採用し、その電気抵抗を200Mohm程度とするとその伝搬速度は230nsec程度である。一方、磁性細線２０を通過する電気信号の伝搬速度は1nsec程度に設定できる。このように二つの配線に大きな伝搬速度の差をつけた上で、図６にあるように時間変化する電圧を第４電極６０に印加することで、図５にあるような電位分布を電極６０上に実現することができる。
【００４６】
なお、上記のような速度差(230:1)がある場合、正確に第４電極６０への電圧印加と磁性細線２０への電流印加のタイミングが制御できるとすれば、事前に想定される磁性細線２０に収められるビット数が200とすると、1nsecの電流が流れている間に第４電極６０に印加されている電位の空間分布がシフトする距離はビット長（記録長）以下となり、正常な動作が期待される。
【００４７】
一方、仮にタイミングの制御の精度が周辺回路の都合で1nsec程度となった場合は、記録長を長くして１本の磁性細線２０に収められるビットの数を100程度に落とす必要が生じる。
【００４８】
検出部１３０は、図７に示すように例えば磁性細線２０上に設けられたトンネル絶縁膜１３１と、トンネル絶縁膜１３１上に設けられた紙面下向きに磁化が向いている強磁性層１３２とを備える。磁化情報の検出は、強磁性層１３２から基板１０に向かって電流を流す。このときに生じる磁気抵抗による電圧降下の値（Ｖｏｕｔ）から磁性細線２０に書き込まれた磁化情報を読み出す。
【００４９】
以下、磁気メモリ１００の動作について説明する。
【００５０】
図６において、V0は電流印加時における磁性細線２０右端の電位である。
【００５１】
まず時刻T0の時点で、磁壁の移動を抑制するのに必要な電圧+Vadd_0に磁性細線２０内の電圧降下分を補償する電圧を上乗せした電圧を第４電極６０の右端に印加し、その後徐々に電圧を下げていく。下げる勾配は印加電圧が第４電極６０の左端に到達する時刻T1の時点で右端の電圧が+Vadd_0程度となるように設定する。
【００５２】
このように第４電極６０に時間変化する電圧を印加すると図５にあるように、第４電極のE4からE3に向けて空間的に単調に減少する電位分布が実現される。この時点で図６にあるようにパルス電流を磁性細線２０に流すと、電圧降下があっても磁壁に対する磁気エネルギーはほぼ磁性細線２０全体にわたって均一に変調され、安定した磁壁の移動が実現される。なお、ここでは、電圧の伝搬速度に比べて、パルス電流の伝搬速度が充分に大きいと仮定しているが、パルス電流の伝搬速度を考慮して、パルス電流の発生タイミングを調整するものであってもよい。すなわち、電流供給部９０は、+Vadd_0の印加電圧が第４電極６０のE2に到達するのに同期してパルス電流を供給する。ここで、同期とは、例えば印加電圧が第４電極６０のE2に到達するタイミングと、パルス電流が磁性細線２０のE3に到達するタイミングとを合わせることをいう。なお、これらのタイミングは厳密に一致しなくともよい。すなわち、タイミングがずれることで磁気エネルギーの高低差に誤差が生じるが、この誤差が磁性細線２０全体にわたって所定の基準値以内に納まればよく、この範囲内において到達するタイミングの誤差を許容し得る。この基準値としては、例えばパルス電流の大きさやパルス電流の印加時間を考慮することで、磁壁の移動を安定に制御可能な値を適宜設定することができる。
【００５３】
第４電極６０への印加電圧は引き続き図６にあるように掃引を続け、第４電極６０の右端での印加電圧が-Vadd_0に達してからその電圧が第４電極６０の左端に到達する時刻T2の時点でパルス電流を磁性細線２０に印加する。なお、ここでも上記と同様に、電流供給部９０は、-Vadd_0の印加電圧が第４電極６０のE2に到達するのに同期してパルス電流を供給すればよい。このような手順を踏むことで、磁気エネルギーの変調が半周期ずれた状態での磁壁の移動を実施することができる。
【００５４】
なお、第４電極のE4からE3に向けて空間的に単調に減少する電位分布が実現されればよいので、電圧印加部８０は第４電極６０の他端（第３部分E2）と第２電極３５に接続され、E2と第２電極３５の間に、時間的に単調に増加する電圧を印加してもよい。
【００５５】
図８は、図６を用いて説明した電圧の第４電極６０への印加と磁性細線２０へのパルス電流の印加を利用して、どのように磁性細線２０中の磁壁を移動させるかを説明するための図である。それぞれの図は、磁性細線２０中の磁壁に対する磁気エネルギーのプロファイルと磁壁の位置を示している。図８の上図は、初期状態（T1）の磁性細線２０中の磁壁の様子を示す。下の図に行くに連れて時間が進んでいる。上から、初期状態（T1）、第２の状態(T2)、第３の状態(T3)、第４の状態(T4)とする。例として、図８では第３電極５０が６つある場合を示している。
【００５６】
初期状態（時刻T1）では、磁壁は１番目の第３電極５０と２番目の第３電極５０との間に存在する。さらに、時刻Ｔ０から図６で述べたような時間変化を有する電圧を電極６０の右端に印加するので、時刻Ｔ１の時点では図６にあるように左側が高く右側が低い電位分布が電極６０に生じている。ここで、大きさＩＣ０のパルス電流を磁性細線に印加すると磁性細線内の電圧降下と電極６０内の電位分布が相殺して各第３電極５０と磁性細線との間に同程度の電圧が印加され、磁壁に対する磁気エネルギーは図８にあるように均一に変調される。このとき、第３電極５０の直下に位置する磁性細線２０の部分は、磁性細線２０の他の部分よりも高い磁壁に対する磁気エネルギーを有する。このため、磁壁を移動させるには平衡状態時に磁壁を移動させるのに必要な電流Ｉｃ０（Ｉｃ０＞０）よりも大きな電流Ｉｃ１（Ｉｃ０＜Ｉｃ１）を流す必要がある。つまり、この状態で電流Ｉｃ０と電流Ｉｃ１との間の大きさの電流Ｉｃ（Ｉｃ０＜Ｉｃ＜Ｉｃ１）を磁性細線２０に流しても、磁壁は２番目の第３電極５０の手前にまでしか移動しない。
【００５７】
ここまでの操作を以下ではＡ操作と呼ぶ。
【００５８】
しかしながら、電極６０の電位が磁性細線２０の電位よりも低くなるように図６にあるような時間変化を与えながら電極６０右端に電圧を印加し、時刻Ｔ２で大きさＩＣ０のパルス電流を磁性細線に印加すると、ポテンシャル障壁が電極幅Ｗ（Ｗ＞０）だけ移動した状態で磁壁に電流が作用する。よって、磁性細線２０中の磁壁は２番目の第３電極５０の紙面左端まで移動する。そして、磁性細線２０中の磁壁は、ポテンシャル障壁によって止まる（第２の状態）。
【００５９】
Ａ操作終了後、ここまでの操作をＢ操作とする。
【００６０】
次に、図６にあるように再び時刻Ｔ１と同じ電圧を電極６０右端に印加した後、単調に減少する時間変化を与え、時刻Ｔ３で大きさＩＣ０のパルス電流を磁性細線に印加すると、ポテンシャル障壁が電極幅Ｗ（Ｗ＞０）だけ移動する。よって、磁性細線２０中の磁壁は２番目の第３電極５０と３番目の第３電極５０との間で止まる（第３の状態）。
【００６１】
このように、電圧印加の操作とパルス電流の印加を繰り返し行うことで、外部信号と同期させて磁壁を移動させることができる。なお、Ｂ操作からＡ操作へ切り替える際には、磁壁が後戻りしないためにも、この切り替えは磁壁がポテンシャル障壁に到達するタイミングで行うことが好ましい。
【００６２】
次に、磁気メモリ１００の複数ビット書込み動作について説明する。複数書込み動作は、磁壁移動の動作と磁化反転動作を組み合わせて行う。
【００６３】
図９Ａから図９Ｈは、磁気メモリ１００の書込み動作を説明するための図である。なお、図９においては、第１電極３０及び第２電極３５を省略している。図９Ａから順を書込み動作について説明する。磁性細線２０中の磁区が紙面下向き（ｚ軸方向下向き）の磁化方向を示している部分をデータ‘０’とする。磁性細線２０の磁区が、紙面上向き（ｚ軸方向上向き）の磁化方向を示している部分をデータ‘１’とする。図９Ａから図９Ｈでは、第３電極５０説明のため６つとしている。このような場合、磁気メモリ１００は６ビットの情報を記録することができる。なお、第３電極５０の個数は６つには限られない。図５Ａから図５Ｈにおいて、紙面右側の第３電極５０から順に、１番目、２番目・・・６番目とする。
【００６４】
初期状態では、磁性細線２０の磁化は全て紙面下向きになっている（図９Ａ）。すなわち、磁気メモリ１００にはデータ‘０’が記録されている。
【００６５】
最初に、磁性細線２０中の磁壁が紙面右側から紙面左端まで一気に移動しないようにするために、第３電極５０の電位が磁性細線２０の電位よりも高くなるように電圧（＋Ｖａｄｄ）を印加する。そして、電極６５に電流を流し、電極６５から誘導磁界を発生させる。この誘導磁界で１番目の第３電極５０の右側の磁性細線２０に磁化方向が紙面上向き磁区を導入する。紙面上向きの磁区は、紙面左側へ広がっていく。しかしながら、電圧（＋Ｖａｄｄ）によるポテンシャル障壁が紙面上向きの磁区の広がりは止められる（図９Ｂ）。
【００６６】
ここでＡ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する。すると、磁性細線２０中の磁壁は、２番目の第３電極５０の手前まで移動する。その結果、１番目の第３電極５０の直下の磁性細線２０の部分の磁化方向は紙面上向きとなる（図９Ｃ）。
【００６７】
次に、再びＡ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施すると、磁性細線２０中の磁壁は、３番目の第３電極５０の手前まで移動する（図９Ｄ）。ここまでで、磁気メモリ１００に記録されているデータは‘００００１１’となる。
【００６８】
次に、電極６５に図５Ｂで説明した電流の向きとは逆向きに電流を流し、電極６５から誘導磁界を発生させる。この誘導磁界で、１番目の第３電極５０の右側の磁性細線２０に磁化方向が紙面下向きの磁区を導入する（図９Ｅ）。
【００６９】
次に、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する。さらに、図９Ｂで説明した電流の向きと同一方向に電流を流し、電極６５から誘導磁界を発生させる。この誘導磁界で、１番目の第３電極５０の右側の磁性細線２０に磁化方向が紙面上向きの磁区を導入する（図９Ｆ）。ここまでで、磁気メモリ１００に記録されているはデータ‘０００１１０１’となる。
【００７０】
次に、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する（図９Ｇ）。
【００７１】
次に、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する（図９Ｈ）。ここまでで、磁気メモリ１００に記録されているデータは、‘０１１０１１’となる。
【００７２】
次に、磁気メモリ１００の読み出し動作について説明する。
【００７３】
図１０Ａから図１０Ｆを用いて、磁気メモリ１００の読み込み動作を具体的に説明する。なお、図１０においては、第１電極３０及び第２電極３５を省略している。図１０Ｆは、検出部１３０で読み出される出力電圧と読み出し動作の回数（サイクル）の関係を示す。１〜６サイクルは、それぞれ図１０Ａから図１０Ｅの説明に対応している。
【００７４】
初期状態では、磁気メモリ１００に‘０１１０１１’の情報が書き込まれているとする（図１０Ａ）。この時点では、検出部１３０で読み出される電圧はＶｌｏｗとなり、データ‘０’が書き込まれていることがわかる。なお、図１０Ａには、３つの磁壁が示されている。
【００７５】
次に、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する。すると、磁性細線２０中の磁壁は、磁性細線２０の延在方向における第３電極５０の幅だけ紙面左側に移動する。このとき、５番目と６番目の第３電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁はなくなる。４番目と５番目の第３電極５０の直下の磁性細線２０中に形成された紙面上向きの磁化は、左側にポテンシャル障壁が無い。このため、磁性細線２０中に流された電流Ｉｃにより検出部１３０の直下の磁性細線２０中の磁化方向は紙面下向きから紙面上向きに変化する。その結果、検出部１３０のトンネル磁気結合の抵抗値は高くなる。よって、検出部１３０で読み出される電圧はＶｈｉｇｈ（Ｖｈｉｇｈ＞Ｖｌｏｗ）となり、データ‘１’が書き込まれていることがわかる（図１０Ｂ）。
【００７６】
次に、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する。すると、３番目と４番目の第３電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁、及び４番目と５番目の第３電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁は、磁性細線２０の延在方向における第３電極５０の幅だけ、それぞれ紙面左側に移動する（図１０Ｃ）。このとき、検出部１３０で読み出される電圧はＶｈｉｇｈのままである。
【００７７】
次に、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する。すると、４番目と５番目の第３電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁、及び５番目と６番目の第３電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁は、磁性細線２０の延在方向における第３電極５０の幅だけ、それぞれ紙面左側に移動する（図１０Ｄ）。このとき、５番目と６番目の第３電極５０の間の直下の磁性細線２０中に存在する磁壁は紙面左側に移動してしまう。このとき、５番目の第３電極５０の直下の磁性細線２０中に形成された紙面下向きの磁化は、左側にポテンシャル障壁が無い。このため、磁性細線２０中に流された電流Ｉｃにより検出部１３０の直下の磁性細線２０中の磁化は紙面上向きから紙面下向きに変化する。検出部１３０で読み出される電圧はＶｌｏｗとなり、データ‘０’が書き込まれていることがわかる。
【００７８】
さらに、Ａ操作、Ｂ操作の順番で操作を実施する。すると、磁性細線２０中には紙面上向きの磁化だけが残る（図１０Ｅ）。
【００７９】
このように、電圧印加の操作と電流によるスピントルク印加によって、磁気メモリ１００は１ビットずつ読み出すことができる。よって、磁気メモリ１００は、正確に記録されたデータを読み出すことができる。
【００８０】
また、図１１に示すように、検出部１３０から紙面左側において、磁性細線１２０をさらに延在させてバッファ記録部１４０を設けても良い。バッファ記録部１４０を設ければ、読み出し操作において磁気メモリ１００のデータの破壊を防ぐことが出来る。
【００８１】
次に、磁気メモリ１００の製造方法の一例について図１２Ａから図１２Ｆを用いて説明する。図１２Ａから図１２Ｆの下図は、磁性細線２０の延在方向から眺めたときの断面図を示す。
【００８２】
図１２Ａに示すように、磁気メモリ１００は、絶縁体に囲まれている。ただし、第４電極６０は絶縁体から露出している。なお、必要に応じて磁気メモリ１００を加工し、電圧印加部８０、検出部１３０等を接続してもよい。
【００８３】
まず、Ｓｉ基板上に形成された熱酸化シリコン膜（基板１０）の上にＴａ、Ｒｕ、Ｔａの順で超高真空スパッタ装置を用いて多層膜を堆積する。その後、磁性細線２０になる磁性層、第１絶縁層４０、第３電極５０となる金属層を順に堆積する（図１２Ｂ）。金属層にはＣｕを用いる。多層膜は磁性層の磁気的・電気的特性が基板１０表面の状態や堆積過程の不確定要素などに影響を及ぼさないようにするために設けられる。
【００８４】
次に、金属層上にネガレジストを塗布する。電子線描画露光装置を用いてネガレジストの一部を露光・現像することでマスクパターンを形成する。形成されたマスクパターンを用いて、金属層から磁性層までをイオンミリング装置でミリングする。マスクパターンは剥離液により除去する（図１２Ｃ）。ここまでで、図１２Ｃの下図に示すように、磁性細線２０が形成される。
【００８５】
次に、金属層上にポジレジストを塗布する。電子線描画装置を用いてポジレジストの一部を露光・現像することでマスクパターンを形成する。形成されたマスクパターンを用いて、金属層をイオンミリング装置でミリングする。このとき、イオンミリング装置に備え付けてある質量分析器を用いて、ミリングの深さを調整する。マスクパターンは剥離液により除去する（図１２Ｄ）。ここまでで、図１２Ｄに示すように、第１絶縁層４０上に第３電極５０が形成される。
【００８６】
次に、超高真空スパッタ装置の中で、基板１０上、第３電極５０上、及び第１絶縁層４０上に絶縁体となる酸化シリコンを堆積する。余分な酸化シリコンは化学機械研磨（ＣＭＰ）による研磨される。研磨は、第３電極５０の上面が露出するまで行う（図１２Ｅ）。
【００８７】
最後に、超高真空スパッタ装置の中で、第４電極６０となるＣｕを第３電極５０上及び絶縁体上に堆積する。その後、ネガレジストＣｕの上に塗布する。電子線描画装置を用いて、ネガレジストの一部を露光・現像することでマスクパターンを形成する。形成されたマスクパターンを用いて、Ｃｕをイオンミリング装置でミリングする。マスクパターンは剥離液により除去する（図１２Ｆ）。ここまでで、磁気メモリ１００が作製される。
【００８８】
（第１の変形例）
図１３は、磁気メモリ１００の第１の変形例を示す図である。磁気メモリ２００は、磁性細線２０と基板１０との間に、第３絶縁層２１０、第４絶縁層２２０、第５電極２３０、第６電極２４０がさらに設けられている点が磁気メモリ１００と異なる。
【００８９】
第３絶縁層２１０は、磁性細線２０の第１絶縁層４０が設けられた側とは反対側に設けられている。第３絶縁層２１０は、第１絶縁層４０と同様の材料を用いることができる。
【００９０】
第４絶縁層２２０は、第３絶縁層２１０の磁性細線２０が設けられた側とは反対側に設けられ、第３電極５０と対向する関係にある。第４絶縁層２２０には、第２絶縁層７０と同様の材料を用いることができる。
【００９１】
第５電極２３０は、第３絶縁層２１０の磁性細線２０が設けられた側とは反対側に設けられ、第２絶縁層７０と対向する関係にある。第６電極２４０は、磁性細線２０が延在する方向において、第５電極２３０を電気的に接続している。第４電極６０と第６電極２４０は同程度の電気抵抗を有する。第５電極２３０、第６電極２４０には、第１電極３０、第３電極５０、第４電極６０と同様の材料を用いることができる。第５電極２３０と第６電極２４０は一体として形成されていてもよい。
【００９２】
磁気メモリ２００の動作原理は、第３電極５０の電位と第５電極２３０の電位が異なるように電圧が印加する点が磁気メモリ１００と異なる。すなわち、第３電極５０の電位が負であれば、第５電極２３０の電位は正である。このようにすることで、より大きなポテンシャル障壁を磁性細線２０中に形成することができるので、より正確に磁性細線２０中の磁壁の移動を制御することができる。
【００９３】
（第２の変形例）
図１４は、磁気メモリ１００の第２の変形例を示す図である。磁気メモリ３００は第１絶縁層４０が第３電極５０と磁性細線２０との間にのみ設けられている点が磁気メモリ１００と異なる。
【００９４】
したがって、磁気メモリ３００では、第２絶縁層５０は磁性細線２０と直接接している。例えば第１絶縁層４０にMgO（酸化マグネシウム）、第２絶縁層７０にSiOx（酸化ケイ素）というように、磁性細線２０に異なる強さの界面誘起磁気異方性を与えるような材料により第１絶縁層４０、第２絶縁性７０を形成すると、電圧を印加していない平衡状態においても、磁性細線２０中に磁気エネルギーの空間分布が生じるので、熱や外部磁場などの外乱で磁壁が移動してしまうのを防ぐことができる。
【００９５】
（第３の変形例）
図１５は、磁気メモリ１００の第３の変形例を示す図である。磁気メモリ４００は、電位調整部１５０を備える。この電位調整部１５０は、電圧印加部８０と抵抗８５を接続して動作することで、第４電極６０の電位を調整する。電圧印加部８０は、第４電極６０の第３部分（E2）に接続され、かつアース接続される。また、抵抗８５は、第４電極６０の第４部分（E1）に接続され、かつアース接続される。この電位調整部１５０は、第４電極６０に対して、第３部分（E2）から第４部分（E1）に向けて単調に減少する電位分布を与える。この場合、電圧印加部８０が第４電極６０に印加する電圧は直流でもよい。このとき、第４電極６０内で発生する電圧降下が磁壁を移動させる際に発生する磁性細線２０内の電圧降下と同程度となるように事前に抵抗８５の抵抗値を定めることができる。この形態で動作させた場合、前記の実施形態に比べて消費電力は大きくなるものの、高速動作が可能となる。
【００９６】
以上説明した少なくとも１つの実施形態に係る磁気メモリによれば、高精度な磁壁移動の制御が可能となる。
【００９７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００９８】
１０・・・基板
２０・・・磁性細線
３０・・・第１電極
３５・・・第２電極
４０・・・第１絶縁層
５０・・・第３電極
６０・・・第４電極
７０・・・第２絶縁層
８０・・・電圧印加部
８５・・・抵抗
９０・・・電流供給部
９５・・・磁場発生部
１１０、１２０・・・入力部
１３０・・・検出部
１４０・・・バッファ記録部
１５０・・・電位調整部
１００、２００、３００、４００…磁気メモリ
【図１】
2014063936.tif 000003
【図２】
2014063936.tif 000004
【図３】
2014063936.tif 000005
【図４】
2014063936.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2014063936.tif 000009
【図８】
2014063936.tif 000010
【図９Ａ】
2014063936.tif 000011
【図９Ｂ】
2014063936.tif 000012
【図９Ｃ】
2014063936.tif 000013
【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
2014063936.tif 000016
【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
2014063936.tif 000018
【図１０Ａ】
2014063936.tif 000019
【図１０Ｂ】
2014063936.tif 000020
【図１０Ｃ】
2014063936.tif 000021
【図１０Ｄ】
2014063936.tif 000022
【図１０Ｅ】
2014063936.tif 000023
【図１０Ｆ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
2014063936.tif 000029
【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
2014063936.tif 000031
【図１３】
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【図１４】
2014063936.tif 000033
【図１５】
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