(57)【要約】この磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性体を含む第１強磁性層と、前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体を含む第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有する、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項２】
前記第１強磁性層は、前記第１端部及び前記第１端部と反対側の第２端部に磁束供給領域を有する、請求項１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項３】
前記磁束供給領域は、前記第１強磁性層の前記第１の方向の中央に位置する主要領域と異なる材料を含む、請求項１又は２に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項４】
前記第１強磁性層は、強磁性体からなり互いの磁化方向が異なる第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層の間に挟まれた中間層とを備え、
前記磁束供給領域を前記第１強磁性層の重心を通り前記第１の方向に沿って切断した切断面において、前記第１層が占める面積と前記第２層が占める面積とが異なる、請求項１又は２に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項５】
前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、
前記第１層の長さが前記第２層より長い、請求項４に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項６】
前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、
前記第２層の長さが前記第１層より長い、請求項４に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項７】
前記第１層及び前記第２層が前記第１の方向に段階的に突出し、前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が階段状である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項８】
前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が傾斜面である、請求項４〜６のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項９】
前記第１強磁性層及び前記磁気記録層が、前記積層方向に磁気異方性を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１０】
前記第１強磁性層及び前記磁気記録層が、これらの層の面内方向に磁気異方性を有する、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１１】
前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第２強磁性層を備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子を複数備える、磁気記録アレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
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として、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型の磁気記録装置に注目が集まっている。磁気記録装置の一例としては、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ  Ｒａｎｄｏｍｅ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ  Ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等がある。また、このような抵抗変化素子を用いて人の脳の仕組みを模倣したデバイス（ニューロモルフィックデバイス）を実現しようとした試みがなされている（非特許文献１）。【０００３】
メモリの高密度化（大容量化）の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法がある。このほかに、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法がある。また、抵抗変化素子を利用したニューロモルフィックデバイスとしては、抵抗変化素子の抵抗値が連続的に変化することを利用し、アレイを構成することでアナログ的に積和演算を行う方法がある。【０００４】
特許文献１には、磁気記録層内における磁壁の位置を制御することで、多値のデータを記録できる磁壁移動型磁気記録素子が記載されている。特許文献２には、磁気記録層内における磁壁の位置に応じて、抵抗値が連続的に変化することを利用した、磁壁利用型アナログメモリ素子およびそれを利用した磁気ニューロン素子が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００９／０５０２８７号
【特許文献２】国際公開第２０１７／１８３５７３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Zhe Chen et al, IEEE, 2015,p.17.7.1-p17.7.4.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
磁壁移動型記録素子において、抵抗変化が期待できない領域に磁壁が移動した場合、入力に対して素子が応答しない不感状態が発生する。したがって、磁壁の移動範囲を磁壁位置に応じて抵抗が変化する範囲に限定し、抵抗変化が期待できない領域に磁壁が移動しない仕組みを導入し、抵抗変化素子の動作を安定させることが求められている。【０００８】
特許文献１に記載の磁壁移動型磁気記録素子は、磁気記録層の側面に凹凸が設けられている。凹凸は磁壁のトラップサイトとして機能し、磁壁の移動可能な範囲を制御する。しかしながら、磁気記録層に物理的な凹凸を設けると凹部に電流集中が生じる場合がある。電流集中は発熱の原因となり、素子の動作を不安定にし、データの信頼性を低下させる。【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁壁の移動を所定の範囲内で安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ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】
【００１０】
（１）第１の態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性体を含む第１強磁性層と、前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有する。【００１１】
（２）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１強磁性層は、前記第１端部及び前記第１端部と反対側の第２端部に磁束供給領域を有してもよい。【００１２】
（３）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子における前記磁束供給領域は、前記第１強磁性層の前記第１の方向の中央に位置する主要領域と異なる材料を含んでもよい。【００１３】
（４）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子における前記第１強磁性層は、強磁性体からなり互いの磁化方向が異なる第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層の間に挟まれた中間層とを備え、前記磁束供給領域を前記第１強磁性層の重心を通り前記第１の方向に沿って切断した切断面において、前記第１層が占める面積と前記第２層が占める面積とが異なってもよい。【００１４】
（５）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子における前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、前記第１層の長さが前記第２層より長い構成でもよい。【００１５】
（６）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子における前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、前記第２層の長さが前記第１層より長い構成でもよい。【００１６】
（７）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１層及び前記第２層が前記第１の方向に段階的に突出し、前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が階段状であってもよい。【００１７】
（８）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が傾斜面であってもよい。【００１８】
（９）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子の前記第１強磁性層及び前記磁気記録層が、前記積層方向に磁気異方性を有してもよい。【００１９】
（１０）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子の前記第１強磁性層及び前記磁気記録層が、これらの層の面内方向に磁気異方性を有してもよい。【００２０】
（１１）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第２強磁性層を備えてもよい。【００２１】
（１２）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型磁気記録素子を複数備える。
【発明の効果】
【００２２】
上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子によれば、安定的に磁壁の移動範囲を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した断面図である。
【図２】図１に示す磁壁移動型磁気記録素子の両端を拡大した模式図である。
【図３】第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図４】第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図５】第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図６】第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図７】第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した断面図である。
【図８】第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。
【図９】第３実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した断面図である。
【図１０】第１端部のみに磁束供給領域を備える磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。
【図１１】第４実施形態にかかる磁気記録アレイの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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。
【００２５】
（磁壁移動型磁気記録素子）
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００を模式的に示した断面図である。磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０とを備える。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００は、平面視で第１強磁性層１０を挟む位置に、第１ビア配線４１と第２ビア配線４２とを備える。
【００２６】
以下、磁気記録層２０が延在する第１の方向をｘ方向、磁気記録層２０が延在する面内でｘ方向と直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向をｚ方向とする。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の積層方向は、ｚ方向と一致している。
【００２７】
＜第１強磁性層＞  図１に示す第１強磁性層１０は、第１層１と第２層２と中間層３とを備える。第１層１及び第２層２は、いずれも強磁性体からなり、互いの磁化方向が異なる。中間層３は、第１層１と第２層２との間に挟まれている。
【００２８】
第１層１は中間層３より磁気記録層２０側にあり、第２層２は中間層３より磁気記録層２０から離れた側にある。第１層１のｘ方向の長さは第２層２のｘ方向の長さより長い。第１層１と第２層２とはｘ方向に段階的に突出し、第１強磁性層１０のｘ方向の側面は階段状になっている。第１層１及び第２層２は、ｘ方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜である。図１に示す第１層１は＋ｘ方向に配向し、第２層２は−ｘ方向に配向し、互いに反強磁性カップリングしている。
【００２９】
第１層１及び第２層２には、強磁性材料を用いる。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、第１層１及び第２層２に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。また第１層１および第２層２が垂直磁気異方性をもつ垂直磁化膜であってもよい。この場合、Ｃｏ／Ｎｉ積層膜、Ｃｏ／Ｐｔ積層膜等を用いることが好ましい。例えば、［Ｃｏ（０．２４ｎｍ）／Ｐｔ（０．１６ｎｍ）］Ｘ（Ｘは積層回数）とすると垂直磁化膜となる。      
【００３０】
中間層３には、非磁性材料を用いる。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗ、Ｏｓ等を用いることができる。中間層３の膜厚は、０．３ｎｍ以上２．０ｎｍ以下であることが好ましい。中間層３の膜厚がこの範囲であれば、第１層１と第２層２とが磁気的に結合する。      
【００３１】
図１に示す第１強磁性層１０は、ｘ方向の長さがｙ方向の長さより長い長方形である。第１強磁性層１０のｘ方向の長さは、６０ｎｍ以上１μｍ以下であることが好ましい。第１強磁性層１０の平面視形状は長方形に限らず、ｘ方向に長軸をもつ楕円形等でもよい。第１強磁性層１０のｘ方向の一端が第１端部１０ａであり、反対側の他端が第２端部１０ｂである。      
【００３２】
図１に示す第１強磁性層１０は、第１端部１０ａ及び第２端部１０ｂに磁束供給領域Ｂを有する。磁束供給領域Ｂは、磁場を生み出す。磁束供給領域Ｂから生じた磁束は、磁気記録層２０に入り込む。      
【００３３】
図１に示す磁束供給領域Ｂは、第１層１と第２層２とが中間層３を介して対向しない部分である。磁束供給領域Ｂにおける第２層２の面積は０であり、磁束供給領域Ｂを占める第１層１の面積と磁束供給領域Ｂを占める第２層２の面積とは異なる。
【００３４】
第１強磁性層１０の中央に位置する主要領域では、第１層１の磁化と第２層２の磁化とが反強磁性カップリングする。そのため漏れ磁場は、第１強磁性層１０の主要領域からはほとんど生じない。これに対し、磁束供給領域Ｂは、第１層１の磁化が第２層２の磁化より過剰に存在する。そのため、漏れ磁場が、磁束供給領域Ｂから生じる。
【００３５】
磁束供給領域Ｂのｘ方向の幅（図１においては、第１層１が第２層２に対してｘ方向に突出する幅）は、第１強磁性層１０のｘ方向の長さの０．１％以上３０％以下であることが好ましく、１％以上１０％以下であることがより好ましい。
【００３６】
具体的な数値としては、磁束供給領域Ｂのｘ方向の幅は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、５ｎｍ以上５０ｎｍ以下であることがより好ましい。
【００３７】
磁束供給領域Ｂのｘ方向の幅が狭いと、磁束供給領域Ｂで生じる磁場の強度が弱くなる。一方で、磁束供給領域Ｂのｘ方向の幅が広いと、磁壁移動型磁気記録素子１００のデータ記憶に関与しない部分の面積が広くなり、素子が大型化する。
【００３８】
磁束供給領域Ｂにおいて中間層３のｘ方向の端面の位置は、第１層１又は第２層２のｘ方向の端面の位置と一致していることが好ましい。第１層１の磁化は、界面の影響を大きく受ける。第１層１の磁気記録層２０と反対側の面が、中間層３により完全に被覆されている状態又は完全に被覆されていない状態のいずれか二状態であることで、第１層１の磁化の向きが安定化する。
【００３９】
＜磁気記録層＞
磁気記録層２０は、ｘ方向に延在している。磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有する。磁壁２１は、互いに反対方向の磁化を有する第１の磁区２２と第２の磁区２３との境界である。図１に示す磁気記録層２０は、第１の磁区２２が＋ｘ方向に配向した磁化を有し、第２の磁区２３が−ｘ方向に配向した磁化を有する面内磁化膜である。
【００４０】
磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁気記録層２０の磁壁２１の位置によって、データを多値で記録する。磁気記録層２０に記録されたデータは、第１強磁性層１０及び磁気記録層２０の積層方向の抵抗値変化として読み出される。ここで出力される抵抗値は、非磁性層３０を挟む２つの強磁性層の磁化の相対角に依存する。そのため、図１において厳密には、磁気記録層２０の磁化と第１層１の磁化との相対角に依存した抵抗値がデータとして読み出される。
【００４１】
磁壁２１が移動すると、磁気記録層２０における第１の磁区２２と第２の磁区２３との比率が変化する。第１層１の磁化は、第１の磁区２２の磁化と同方向（平行）であり、第２の磁区２３の磁化と反対方向（反平行）である。磁壁２１がｘ方向に移動し、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分における第１の磁区２２の面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁２１が−ｘ方向に移動し、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分における第２の磁区２３の面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は高くなる。
【００４２】
磁壁２１は、磁気記録層２０の延在方向に電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第１ビア配線４１から第２ビア配線４２に電流パルスを印加すると、第１の磁区２２は第２の磁区２３の方向へ広がり、磁壁２１が第２の磁区２３の方向へ移動する。つまり、第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２に流す電流の方向、強度を設定することで、磁壁２１の位置が制御され、磁壁移動型磁気記録素子１００にデータが書き込まれる。
【００４３】
磁壁移動型磁気記録素子１００からデータを読み出す際は、第１強磁性層１０から第１ビア配線４１又は第２ビア配線４２に向けて読み出し電流を流す。
【００４４】
磁気記録層２０には、磁束供給領域Ｂで生じた磁場が印加される。磁場は、磁気記録層２０内に磁気的なポテンシャル分布を生み出す。磁壁２１は、磁気記録層２０内で磁壁２１が感じるポテンシャル分布が低い場所で安定化する。第１強磁性層１０の端部に位置する磁束供給領域Ｂから磁気記録層２０に磁場を印加することで、磁壁２１の移動範囲をｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分に限定できる。
【００４５】
磁壁２１が、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳しない部分を移動しても、第１層１と対向する磁気記録層２０の磁化状態は変化しない。つまり、この部分を磁壁２１が移動しても、出力されるデータに変化は生じない。磁壁２１の移動範囲を制限することで、磁壁移動型磁気記録素子１００に入力した信号に対する感度を高めることができる。
【００４６】
図２は、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の両端を拡大した模式図である。図２をもとに、磁壁２１の移動範囲をｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分に限定できる理由を説明する。
【００４７】
図２（ａ）は、磁壁移動型磁気記録素子１００の第１端部１０ａ側の要部を拡大した模式図である。図２（ａ）において磁束供給領域Ｂの−ｘ方向の端部を通るｙｚ平面を第１平面Ｓ１とし、磁束供給領域Ｂの＋ｘ方向の端部を通るｙｚ平面を第２平面Ｓ２とする。
【００４８】
磁壁２１が第１平面Ｓ１まで至ると、磁気記録層２０の第１平面Ｓ１と第２平面Ｓ２とに挟まれた領域２５の磁化は−ｘ方向に配向する。これに対し、磁束供給領域Ｂにおける第１層１の磁化は＋ｘ方向に配向している。つまり、領域２５の磁化と磁束供給領域Ｂの磁化とが互いに反対方向を向き（静磁的にカップリングし）、互いの磁化状態が安定化する。
【００４９】
一方で、図２（ｂ）は、磁壁移動型磁気記録素子１００の第２端部１０ｂ側の要部を拡大した模式図である。図２（ｂ）において磁束供給領域Ｂの−ｘ方向の端部を通るｙｚ平面を第３平面Ｓ３とし、磁束供給領域Ｂの＋ｘ方向の端部を通るｙｚ平面を第４平面Ｓ４とする。
【００５０】
磁壁２１が第３平面Ｓ３まで至ると、磁気記録層２０の第３平面Ｓ３と第４平面Ｓ４とに挟まれた領域２６の磁化は−ｘ方向に配向する。これに対し、磁束供給領域Ｂにおける第１層１の磁化は＋ｘ方向に配向している。つまり、領域２６の磁化と磁束供給領域Ｂの磁化とが互いに反対方向を向き（静磁的にカップリングし）、互いの磁化状態が安定化する。
【００５１】
このように、磁気記録層２０内で磁壁２１が感じるポテンシャル分布は、磁壁２１が第１平面Ｓ１及び第３平面Ｓ３の位置に位置する場合において低くなる。そのため、磁壁２１の移動範囲を第１平面Ｓ１と第３平面Ｓ３との間に制限できる。第１平面Ｓ１と第３平面Ｓ３との間の領域は、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分である。
【００５２】
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、第１層１及び第２層２と同様のものを用いることができる。また磁気記録層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。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を下げることができる。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、磁壁の移動速度を抑えることができる。
【００５３】
＜非磁性層＞
非磁性層３０には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層３０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ２Ｏ４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３０が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
【００５４】
非磁性層３０の厚みは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であることが好ましく、１ｎｍ以上４ｎｍ以下であることがより好ましい。非磁性層３０の厚みが十分薄いと、磁束供給領域Ｂで生じた磁場を磁気記録層２０に充分印加できる。
【００５５】
上述のように、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００によれば、磁壁２１の移動範囲をｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分に限定できる。そのため磁壁２１の移動と磁壁移動型磁気記録素子１００から出力されるデータの変化との関係性が強まり、磁壁移動型磁気記録素子１００の入力信号に対する感度を高めることができる。
【００５６】
また第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁壁２１の移動を第１強磁性層１０の端部に設けた磁束供給領域Ｂから生じる磁場により制限している。磁気記録層２０に凹部等の物理的な（構造的な）形状変化を設けていないため、磁気記録層２０の特定の部分に電流集中が生じることを避けることができる。また非磁性層３０を挟むことで、磁束供給領域Ｂを磁気記録層２０と十分近接した位置に容易に形成できる。例えば、磁束供給領域Ｂを磁気記録層２０の面内方向に形成しようとすると、加工精度の観点から極めて困難である。また磁気記録層２０と十分近接した位置に磁束供給領域Ｂが存在することで、磁気記録層２０内に磁気的なポテンシャル分布を充分生み出すことができる。
【００５７】
以上、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。
【００５８】
例えば、図３は第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１は、第１強磁性層１０のｘ方向の側面が傾斜面である点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。その他の構成は、図１と同様であり、同一の符号を付す。
【００５９】
サイドミリング等の方法を用いると、第１強磁性層１０の側面を容易に傾斜面にできる。そのため、フォトリソグラフィー等の方法を用いずに、容易に磁束供給領域Ｂを形成できる。
【００６０】
図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１の磁束供給領域Ｂにおいても、磁束供給領域Ｂを占める第１層１の面積と磁束供給領域Ｂを占める第２層２の面積とが異なる。第１層１の面積は、第２層の面積より大きい。第１層１の磁化が生み出す磁場と、第２層２の磁化が生み出す磁場の差分の磁場が、漏れ磁場として磁気記録層２０に印加される。すなわち、図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１においても、磁壁２１の移動範囲を制限でき、磁壁移動型磁気記録素子１０１の入力信号に対する感度を高めることができる。
【００６１】
また図４は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２のように、第１強磁性層１０のｘ方向の側面を構成する傾斜面が磁気記録層２０まで延在していてもよい。ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳しない部分における磁気記録層２０の厚みが徐々に薄くなることで、磁壁２１の移動範囲をｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分により限定できる。
【００６２】
なお、磁気記録層２０の厚みが変動すると、電流集中による発熱が懸念される。しかしながら、磁壁移動型磁気記録素子１０２は磁気記録層２０の厚みが緩やかに変化しているため、電流集中による発熱は十分抑制できる。ここで緩やかに厚みが変化するとは、単位長さ（１ｎｍ）あたりの厚み変化量が０．０５ｎｍ以下であることを意味する。
【００６３】
また図５は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図５に示す磁壁移動型磁気記録素子１０３は、第１強磁性層１０及び磁気記録層２０が、積層方向に磁気異方性を有する点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１と異なる。第１強磁性層１０を構成する第１層１及び第２層２と磁気記録層２０とが垂直磁化膜でも、磁束供給領域Ｂにより磁壁２１の移動範囲を十分制御できる。
【００６４】
また図６は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図６に示す磁壁移動型磁気記録素子１０４は、第１強磁性層１０、磁気記録層２０及び非磁性層３０の積層順が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。図６に示すように、第１ビア配線４１及び第２ビア配線４２は、磁気記録層２０の非磁性層３０等が形成された面に位置してもよい。
【００６５】
図６に示す磁壁移動型磁気記録素子１０４において、第１層１は第２層２より磁気記録層２０側に位置し、第２層２の長さが第１層１より長い。磁束供給領域Ｂは、第１層１と第２層２とが中間層３を介して対向しておらず、磁気的に不安定である。この磁気的に不安定な部分が、非磁性層３０と接していないことで、磁気記録層２０の磁化が安定化する。図６に示す磁壁移動型磁気記録素子１０４においても、第１強磁性層１０の側面は傾斜面でもよい。
【００６６】
「第２実施形態」
図７は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５の断面模式図である。図７に示す磁壁移動型磁気記録素子１０５は、第１強磁性層１１の構成が図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。その他の構成は、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と同一であり、同一の構成については同一の符号を付す。
【００６７】
図７に示す第１強磁性層１１は、第１強磁性層１０のｘ方向の中央に位置する主要領域１１Ａと、端部に位置する端部領域１１Ｂとを有する。端部領域１１Ｂと主要領域１１Ａとは異なる材料からなる。そのため、主要領域１１Ａで生じる磁場の強度と、端部領域１１Ｂで生じる磁場の強度とは異なる。端部領域１１Ｂが磁束供給領域Ｂとなる。
【００６８】
主要領域１１Ａと端部領域１１Ｂを構成する材料は、第１層１及び第２層２と同様のものを用いることができる。端部領域１１Ｂが生み出す磁場強度が、主要領域１１Ａが生み出す磁場強度より大きくなるように、主要領域１１Ａ及び端部領域１１Ｂの材料を選択する。
【００６９】
主要領域１１Ａと端部領域１１Ｂとが生じる磁場の強度が異なると、磁気記録層２０内に磁気的なポテンシャル分布が生じる。磁気的なポテンシャルの分布は、磁壁２１の移動しやすさを変え、磁壁２１の移動範囲を制御する。
【００７０】
また図８は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図８に示す磁壁移動型磁気記録素子１０６のように、主要領域１１Ａは第１層１、第２層２及び中間層３からなる３層構造でもよい。
【００７１】
また第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子においても、第１強磁性層１０及び磁気記録層２０は垂直磁化膜でもよく、第１強磁性層１０、磁気記録層２０及び非磁性層３０の積層順が反対でもよい。
【００７２】
上述のように、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５，１０６によれば、磁気記録層２０内に磁気的なポテンシャル分布が生みだすことができる。その結果、磁壁２１の移動範囲が所定の範囲に限定され、磁壁移動型磁気記録素子１０５、１０６の入力信号に対する感度を高めることができる。
【００７３】
「第３実施形態」
図９は、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０７の断面模式図である。図９に示す磁壁移動型磁気記録素子１０７は、磁気記録層２０と非磁性層３０との間に、第２強磁性層５０を備える点が、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
【００７４】
ここでは、一例として磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気記録層２０と非磁性層３０との間に第２強磁性層５０を備える例を基に説明する。しかしながら当該構成に限定されるものではなく、第１実施形態にかかる他の磁壁移動型磁気記録素子や第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子において同様の構成としてもよい。
【００７５】
第２強磁性層５０は、磁性体を含む。第２強磁性層５０を構成する磁性体は、第１強磁性層１０の第１層１及び第２層２と同様のものを用いることができる。
【００７６】
第２強磁性層５０は、磁気記録層２０と隣接している。第２強磁性層５０の磁化は、磁気記録層２０の磁化と磁気結合している。そのため、第２強磁性層５０は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが強磁性カップリングする場合は第２強磁性層５０の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と同一になり、第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが反強磁性カップリングする場合は第２強磁性層５０の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と反対になる。
【００７７】
磁気記録層２０と非磁性層３０との間に第２強磁性層５０を挿入すると、第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが、磁壁移動型磁気記録素子１０７内で示す機能を分けることができる。磁壁移動型磁気記録素子１０７のＭＲ比は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体（第１層１と第２強磁性層５０）の磁化状態の変化により生じる。そのため、第２強磁性層５０にＭＲ比の向上する機能を主として担わせ、磁気記録層２０に磁壁２１を移動させる機能を主として担わせることができる。
【００７８】
第２強磁性層５０と磁気記録層２０の機能を分けると、それぞれを構成する磁性体の自由度が高まる。第２強磁性層５０に第１強磁性層１０とのコヒーレントトンネル効果を得られる材料を選択することができ、磁気記録層２０に磁壁の移動速度が遅くなる材料を選択することができる。
【００７９】
上述のように、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０７においても、磁壁２１の移動範囲をｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分に限定できる。そのため磁壁２１の移動と磁壁移動型磁気記録素子１０７から出力されるデータの変化との関係性が強まり、磁壁移動型磁気記録素子１０７の入力信号に対する感度を高めることができる。
【００８０】
また第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが磁壁移動型磁気記録素子１０７内で担う機能を分けることで、磁性体材料等の選択自由度を高めることができる。また材料選択の自由度が高まることで、磁壁移動型磁気記録素子１０７のＭＲ比をより高めることができる。
【００８１】
以上、第１実施形態〜第３実施形態において、第１強磁性層１０の両端に磁束供給領域Ｂを備える場合を例示したが、磁束供給領域Ｂはいずれか一方の端部のみに設けてもよい。図１０は、第１端部１０ａのみに磁束供給領域Ｂを備える磁壁移動型磁気記録素子１０８の断面模式図である。いずれか一方の端部に磁束供給領域Ｂを備えれば、磁束供給領域Ｂを備えない場合と比較して磁壁２１の移動を所定の範囲内に制限できる。
【００８２】
「第４実施形態」
図１１は、第４実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の平面図である。図１１に示す磁気記録アレイ２００は、磁壁移動型磁気記録素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１１は、磁気記録アレイの一例であり、磁壁移動型磁気記録素子の種類、数及び配置は任意である。
【００８３】
磁壁移動型磁気記録素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、１本のビットラインＢＬ１〜３、１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。      
【００８４】
電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気記録層２０にパルス電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３、ビットラインＢＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３はトランジスタ等により選択できる。それぞれが多値で情報を記録できる複数の磁壁移動型磁気記録素子１００にデータを記録することで、磁気記録アレイの高容量化を実現できる。      
【００８５】
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。
【符号の説明】
【００８６】
１  第１層
２  第２層
３  中間層
１０、１１  第１強磁性層
１０ａ  第１端部
１０ｂ  第２端部
１１Ａ  主要領域
１１Ｂ  端部領域
２０  磁気記録層
２１  磁壁
２２  第１の磁区
２３  第２の磁区
２５、２６  領域
３０  非磁性層
４１  第１ビア配線
４２  第２ビア配線
５０  第２強磁性層
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８  磁壁移動型磁気記録素子
２００  磁気記録アレイ
Ｂ  磁束供給領域
【図１】
2019138535.tif 000003
【図２】
2019138535.tif 000004
【図３】
2019138535.tif 000005
【図４】
2019138535.tif 000006
【図５】
2019138535.tif 000007
【図６】
2019138535.tif 000008
【図７】
2019138535.tif 000009
【図８】
2019138535.tif 000010
【図９】
2019138535.tif 000011
【図１０】
2019138535.tif 000012
【図１１】
2019138535.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成30年11月28日(2018.11.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性体を含む第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有し、
前記磁束供給領域は、前記第１強磁性層の前記第１の方向の中央に位置する主要領域と異なる材料を含む、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項２】
強磁性体を含む第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有し、
前記第１強磁性層は、強磁性体からなり互いの磁化方向が異なる第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層の間に挟まれた中間層とを備え、
前記磁束供給領域を前記第１強磁性層の重心を通り前記第１の方向に沿って切断した切断面において、前記第１層が占める面積と前記第２層が占める面積とが異なり、
前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、
前記第２層の長さが前記第１層より長い、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項３】
強磁性体を含む第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有し、
前記第１強磁性層は、強磁性体からなり互いの磁化方向が異なる第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層の間に挟まれた中間層とを備え、
前記磁束供給領域を前記第１強磁性層の重心を通り前記第１の方向に沿って切断した切断面において、前記第１層が占める面積と前記第２層が占める面積とが異なり、
前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が傾斜面である、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項４】
前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第２強磁性層を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項５】
強磁性体を含む第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備え、
前記第１強磁性層は、前記第１の方向の少なくとも第１端部に磁束供給領域を有し、
前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第２強磁性層を備える、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項６】
前記磁束供給領域は、前記第１強磁性層の前記第１の方向の中央に位置する主要領域と異なる材料を含む、請求項５に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項７】
前記第１強磁性層は、強磁性体からなり互いの磁化方向が異なる第１層及び第２層と、前記第１層と前記第２層の間に挟まれた中間層とを備え、
前記磁束供給領域を前記第１強磁性層の重心を通り前記第１の方向に沿って切断した切断面において、前記第１層が占める面積と前記第２層が占める面積とが異なる、請求項５に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項８】
前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、
前記第１層の長さが前記第２層より長い、請求項７に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項９】
前記第１層は、前記第２層より前記磁気記録層側に位置し、
前記第２層の長さが前記第１層より長い、請求項７に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１０】
前記第１層及び前記第２層が前記第１の方向に段階的に突出し、前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が階段状である、請求項２又は７に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１１】
前記第１強磁性層の前記第１の方向の側面が傾斜面である、請求項１、５〜７のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１２】
前記第１強磁性層は、前記第１端部及び前記第１端部と反対側の第２端部に磁束供給領域を有する、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１３】
前記第１強磁性層及び前記磁気記録層が、前記積層方向に磁気異方性を有する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１４】
前記第１強磁性層及び前記磁気記録層が、これらの層の面内方向に磁気異方性を有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子を複数備える、磁気記録アレイ。
【国際調査報告】
2019138535.tif 000014
2019138535.tif 000015
2019138535.tif 000016