(57)【要約】【課題】  磁壁移動を電気抵抗で検出可能な素子を提供すると共に、高速かつ低電流での磁壁移動と記録された磁壁の熱安定性を両立可能とする。【解決手段】  本発明のスピン注入磁区移動素子は、磁壁を有する磁壁移動層、少なくとも１層の強磁性層を有する第１磁性層グループおよび少なくとも１層の強磁性層を有する第２磁性層グループを有して構成し、第１磁性層グループと第２磁性層グループが磁壁移動層の両端に配置され、第１磁性層グループと第２磁性層グループとの間に電子を流すことにより、磁壁移動層の磁壁を移動することを特徴とする。  磁壁移動層の一部が第１磁性層グループと反強磁性結合をし、磁壁移動層の一部が第２磁性層グループと反強磁性結合または強磁性結合をしていることが好ましい。【選択図】    図１
2006287081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁壁を有する磁壁移動層、少なくとも１層の強磁性層を有する第１磁性層グループおよび少なくとも１層の強磁性層を有する第２磁性層グループを有し、
該第１磁性層グループと該第２磁性層グループが該磁壁移動層の両端に配置され、
該第１磁性層グループと該第２磁性層グループとの間に電子を流すことにより、前記磁壁移動層の磁壁を移動することを特徴とするスピン注入磁区移動素子。
【請求項２】
前記磁壁移動層の内で前記第１磁性層グループと接する部分の少なくとも一部が前記第１磁性層グループと反強磁性結合をしており、前記磁壁移動層の内で前記第２磁性層グループと接する部分の少なくとも一部が前記第２磁性層グループと反強磁性結合をしていることを特徴とする請求項1に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項３】
前記第１磁性層グループと前記第２磁性層グループが前記磁壁移動層の異なる面上に、前記磁壁移動層を挟んで対向して配置されていることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項４】
前記第１磁性層グループと前記第２磁性層グループが前記磁壁移動層の同一の面上に配置されていることを特徴とする請求項２に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項５】
前記第１磁性層グループは非磁性の第１交換結合制御層と第１強磁性層が積層されてなり、該第１交換結合制御層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項３または４に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項６】
前記第２磁性層グループは非磁性の中間交換結合制御層、中間強磁性層、非磁性の第２交換結合制御層および第２強磁性層がこの順に積層されてなり、該中間交換結合制御層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項７】
前記中間強磁性層の膜厚がスピン緩和距離より薄いことを特徴とする請求項６に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項８】
前記第１磁性層グループは非磁性層と第１強磁性層が積層されてなり、該非磁性層が第１交換結合制御層と第１非磁性金属層に分割され、該第１交換結合制御層と該第１非磁性金属層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項４に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項９】
前記第２磁性層グループは非磁性層、中間強磁性層、非磁性の第２交換結合制御層および第２強磁性層がこの順に積層されてなり、
該非磁性層が中間交換結合制御層と中間非磁性金属層に分割され、
、該中間交換結合制御層と該中間非磁性金属層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項４または８のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１０】
前記磁壁移動層の内で前記第１磁性層グループと接する部分の少なくとも一部が前記第１磁性層グループと反強磁性結合をしており、前記磁壁移動層の内で前記第２磁性層グループと接する部分の少なくとも一部が前記第２磁性層グループと強磁性結合をしていることを特徴とする請求項1に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１１】
前記第１磁性層グループと前記第２磁性層グループが前記磁壁移動層の異なる面上に、前記磁壁移動層を挟んで対向して配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１２】
前記第１磁性層グループと前記第２磁性層グループが前記磁壁移動層の同一の面上に配置されていることを特徴とする請求項１０に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１３】
前記第１磁性層グループは非磁性の第１交換結合制御層と第１強磁性層が積層されてなり、該第１交換結合制御層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項１１または１２に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１４】
前記第２磁性層グループは非磁性の第３交換結合制御層および第３強磁性層が積層されてなり、
、該第３交換結合制御層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１５】
前記第２磁性層グループは第４強磁性層からなることを特徴とする請求項１１ないし１３のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１６】
前記第１磁性層グループは非磁性層と第１強磁性層が積層されてなり、該非磁性層が第１交換結合制御層と第１非磁性金属層に分割され、該第１交換結合制御層と該第１非磁性金属層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項１２に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１７】
前記第２磁性層グループは非磁性層および第３強磁性層が積層されてなり、
該非磁性層が第３交換結合制御層と第３非磁性金属層に分割され、
、該第３交換結合制御層と該第３非磁性金属層が前記磁壁移動層と接していることを特徴とする請求項１２または１６のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１８】
請求項１ないし１７のいずれかに記載の複数のスピン注入磁区移動素子を、第１磁性層グループをビット線に接続し、第２磁性層グループをワード線に接続して連結したことを特徴とするスピン注入磁区移動装置。
【請求項１９】
電気抵抗の差異を用いて記録、読み出しを行うことを特徴とする請求項１８に記載のスピン注入磁区移動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気的なセンサーやメモリーを構成する基本構造素子およびこれを用いた装置に関する。より具体的には、電子スピンの注入を制御した、大容量かつ機械的な駆動部分を含まない磁気的なランダムアクセスメモリ、あるいは電子スピンの注入を検知する微弱電流センサーを構成する素子ならびに装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１８は、従来提案されている巨大磁気抵抗（ＧＭＲ、Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用したＧＭＲ素子の断面構造を示したものである。例えばシリコン基板２００上に第１電極２０１、Ｃｏ等からなる第１強磁性層２０３（厚さ〜４０ｎｍ、直径〜１００ｎｍ）、非磁性金属層２０４（厚さ〜６ｎｍ、直径〜１００ｎｍ）、Ｃｏ等からなる第２強磁性層２０５（厚さ〜２．５ｎｍ、直径〜１００ｎｍ）、第２電極２０６が順次形成されている。このようなＧＭＲ構造素子は、第２電極側からのスピン電流注入、即ち、第１電極側からのスピン分極した電子の注入によって強磁性層２０５の磁化を反転できることが知られている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照。）。
素子の動作原理は以下のように説明されている。はじめに素子に十分な磁界を印加し、第１強磁性層２０３、第２強磁性層２０５の磁化状態を同一方向に揃える。図１９（ａ）は磁化が右向きに揃った場合を示したもので、図中の矢印が各磁性層の磁化の方向を表している。以下の図面においても矢印の意味は同様である。この状態を平行状態（Ｐ状態）と呼ぶことにする。この状態で、電流を第２電極側から第１電極の向きに流すと、電子は第１電極から強磁性層２０３に注入される。第１電極中の電子スピンの状態はアップスピンとダウンスピンの分布が一致しているが、強磁性層中では電子スピンと強磁性金属原子のスピンの間に相互作用（ｓ−ｄ相互作用）が働くために、電子スピンは第１強磁性層の磁化の向きに整列する。これをスピンの偏極と呼んでいる。このような偏極したスピンが非磁性金属層２０４を通過して第２強磁性層２０５に注入されると、強磁性層２０５の磁化は１）式で表される向きのトルクを受ける。強磁性層２０３も磁化は１）式で表される向きのトルクを受けるが、強磁性層２０３の厚さが強磁性層２０５に比べて十分に厚いために、強磁性層２０３の磁化は動かない。
【０００３】
j・M(強磁性層205)×M(強磁性層203)×M(強磁性層205)・・・１）
ここでｊは電流（スカラー量）、Ｍ（強磁性層２０５）は強磁性層２０５の磁化の向きの単位ベクトル、Ｍ（強磁性層２０３）は強磁性層２０３の磁化の向きの単位ベクトルである。したがって、ある臨界電流を超えると、強磁性層２０５の磁化のみがトルクによって回転し、強磁性層２０５と強磁性層２０３の磁化はＰ状態から反平行状態（ＡＰ状態）に変化する。次にＡＰ状態にある素子に第１電極から第２電極に向けて電流を流す場合を説明する。この場合は、トルクの向きを表す式の電流の符号が負となり、強磁性層２０５の磁化は反対向きのトルクを受ける結果、ある臨界電流を超えると強磁性層２０５の磁化は反転し、素子の磁化状態はＡＰ状態からＰ状態へ戻る。ＧＭＲ素子の両電極間の電気抵抗値は、Ｐ状態で小さくＡＰ状態で大きく、その割合は数１０％あることが知られている。このＧＭＲ効果を用いてハードディスクの読出しヘッドが作製されている。図２０は、この電流注入によるＧＭＲ素子の磁化反転を用いたＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）の平面構造を示したものである。図２０のような構成を用いれば、横に走るワード線２０８の組と縦に走るビット線２０７の組によって、記録セル２０９へのビット情報の書込み（磁化の反転）と読出し（記録セルの磁化状態に対応した電気抵抗値の検知）が原理的には可能である。
【０００４】
図２１、２２は、強磁性細線中を流れる電流によって強磁性細線中に形成された磁壁が移動する現象（例えば、非特許文献２参照。）の説明図である。図２１は構成を表すもので、絶縁基板２２０上に強磁性層２２１（厚さ〜１０ｎｍ、長さ〜数ｕｍ）を形成し、上部に第１電極２２２、第２電極２２３を形成している。強磁性層２２１としてはパーマロイ（Ｎｉ８１Ｆｅ１９）薄膜等が用いられている。金属電極としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などが用いられている。図２２は、第１電極２２２、第２電極２２３間に電流を流す場合の磁壁２２４の動作を説明するもので、磁性層の磁化の向きを前述と同様に矢印で表している。
はじめに、図２２（ａ）に示すように、２つの電極に挟まれた強磁性層２２１の領域に１つの磁壁２２４が存在し、磁壁２２４の右側と左側の磁化の向きが対向している場合を考える。この状態で、第２電極２２３から第１電極２２２の向きに電流を流す場合は、磁壁２２４を電流が横切ることになる。このとき電子は第１電極２２２から強磁性層２２１に注入され第２電極２２３に流れ込むことになる。強磁性層２２１に注入された電子のスピンの磁化の向きは、ｓ−ｄ相互作用によって、強磁性層２２１の磁壁２２４の左側の領域の磁化と同じ向きに揃う（あるいは、偏極とも呼ぶ）と考えられる。この偏極した電子スピンの磁化をＳｌ（右向きのベクトル）とする。次にスピン偏極した電子が磁壁２２４を通過して強磁性層２２１の磁壁２２４の右側の領域に注入されると、ｓ−ｄ相互作用によって今度は磁壁２２４通過前とは反対の磁化と同じ向きに揃うことになる。磁壁２２４の右側での偏極した電子スピンの磁化をＳｒ（左向きのベクトル）とする。また、磁壁２２４の左側と右側における強磁性層の磁化をそれぞれＭｌ（右向きのベクトル）およびＭｒ（左向きのベクトル）とする。上述したとおり、Ｓｒを正の向きと考えると、磁壁２２４の左から右に移動する過程で電子スピンの磁化ＳｒはＳｌに変化し、負の向きの電子スピンが増加することになる。今、磁壁を電子が横切る前と後で磁性体の磁化と伝導電子のスピン角運動量の総和（Ｍｌ＋Ｓｌ＋Ｍｒ＋Ｓｒ）は保存され一定である。磁壁の左側の伝導電子が磁壁を横切る過程で、電子の全スピン運動量の総和（Ｓｌ＋Ｓｒ）は、２Ｓｒだけ増加する（２Ｓｌだけ減少する）。すなわち伝導電子が磁壁を左から右に横切ることによって磁化の総和（Ｍｌ＋Ｍｒ）は２Ｓｌだけ増加する。すなわち、電子が磁壁２２４を左から右に横切ることによって、磁壁２２４の磁化Ｍｌが増加していく（磁壁２２４が電子の流れる向きと同じ方向に移動していく）ことになる。図２２（ａ）と図２２（ｂ）は、電流を電極２２３から流す前の磁壁２２４の位置と、電流を電極２２３から流した後の磁壁２２４の位置の違いを示している。このように、電流の流れる向きに対して磁壁２２４は反対に移動することが知られている。この磁壁移動を可能とする電流密度はパーマロイ等の金属磁性体の場合で１０８Ａ／ｃｍ２程度、強磁性半導体で８×１０４Ａ／ｃｍ２程度であり、また、電流密度を上げることによって磁壁の移動速度は３ｍ／ｓ程度になることが報告されている（例えば、非特許文献２、３参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２０７７０７号公報
【非特許文献１】カティン（Ｊ．  Ａ．  Ｋａｔｉｎｅ）、「Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ柱における電流駆動磁気反転およびスピン波励起（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ  Ｒｅｖｅｒｓａｌ  ａｎｄ  Ｓｐｉｎ−Ｗａｖｅ  Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ  Ｐｉｌｌａｒｓ）」、フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、米国、２０００年、第８４巻、第１４号、ｐ．３１４９−３１５２。
【非特許文献２】山口（Ａ．Ｙａｍａｇｕｃｈｉ）、「サブミクロン磁性細線における電流駆動による磁壁移動の実空間観測（Ｒｅａｌ−ｓｐａｃｅ  Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｄｒｉｖｅｎ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｗａｌｌ  Ｍｏｔｉｏｎ  ｉｎ  Ｓｕｂｍｉｃｒｏｎ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｗｉｒｅｓ）」、フィジカル・レビュー・レターズ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、米国、２００４年、第９２巻、第７号、ｐ．０７７２０５
【非特許文献３】山ノ内路彦、日本物理学会  第６０回年次大会予稿集、２００５年３月２７日、ｐ．２７ａＹＰ−５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した二つの技術はいずれも電流を流すことによって磁化を反転するものである。また原理としては、スピン偏極した電子が強磁性体に注入されたときに、電子スピンによって強磁性体の磁化にトルクが加えられることによっている。このとき、注入された自由電子のスピンの磁化と強磁性体の磁化の総計が保存されるのであり、わずかな注入電子（あるいは電流）で磁化の反転を起こすためには、磁化反転される強磁性体の体積および飽和磁化の大きさを小さくすることが必要になる。
たとえば、図２０のＭＲＡＭの場合、臨界電流を小さくするために体積、飽和磁化を小さくする場合は、記録ビット、即ち、記録セル２０９の磁化の熱安定性が低くなり、室温でも熱擾乱によって磁化の熱ゆらぎが発生し、記録セルの磁化を保持できなくなる問題が生じる。図２１で示した構成においても、電流による磁壁の高速移動をわずかな電流で行なうためには、飽和磁化を下げる必要がある。しかし、飽和磁化を下げていくことにより、磁壁を構成する磁化の熱ゆらぎが大きくなり、磁壁の位置が熱擾乱によってランダムに移動するといった問題が発生することが容易に想定できる。
【０００６】
さらに、図２１の構造では、電流によって磁化状態の変化、即ち、磁壁の移動を誘起することが可能であるが、磁化状態を検出することが困難である。なぜならば、図２０の構成の場合、磁壁の位置が変わるだけで、電流の流れる磁性層の長さは変化しない。強磁性層２２１の右向きと左向きの磁化の領域の長さの比は変化するが、右向きと左向きの電気抵抗率は同じと考えられるため、この比の変化による電気抵抗の差は無視できるレベルであり、これだけでは、両電極間の電気抵抗が大きく変化することはない。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするところは次の通りである。
第一には、２つの電極間に電流を流すことによって素子の磁化状態を変化させ、この２つの電極間の電気抵抗が素子の磁化状態に応じて変化する素子において、素子の磁化状態の熱安定性を向上するとともに、磁化状態を変化させるために必要な臨界電流が小さな素子を提供することにある。
【０００７】
さらには、磁性体の２つの電極間に電流を流すことによって磁壁が移動する素子において、磁壁が移動することによって２つの電極間の電気抵抗が変化する素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のスピン注入磁区移動素子は、磁壁を有する磁壁移動層、少なくとも１層の強磁性層を有する第１磁性層グループおよび少なくとも１層の強磁性層を有する第２磁性層グループを有して構成し、該第１磁性層グループと該第２磁性層グループが該磁壁移動層の両端に配置され、該第１磁性層グループと該第２磁性層グループとの間に電子を流すことにより、前記磁壁移動層の磁壁を移動することを特徴とする。
前記磁壁移動層の内で前記第１磁性層グループと接する部分の少なくとも一部が前記第１磁性層グループと反強磁性結合をしており、前記磁壁移動層の内で前記第２磁性層グループと接する部分の少なくとも一部が前記第２磁性層グループと反強磁性結合または強磁性結合をしていることが好ましい。
また、前記第１磁性層グループと前記第２磁性層グループが前記磁壁移動層の異なる面上に磁壁移動層を挟んで対向して配置されているか、または、前記第１磁性層グループと前記第２磁性層グループが前記磁壁移動層の同一の面上に配置されていることが好ましい。
【０００９】
また、前記第１磁性層グループは、非磁性の第１交換結合制御層と第１強磁性層が積層されてなり、該第１交換結合制御層が前記磁壁移動層と接しているか、または、前記第１磁性層グループは、非磁性層と第１強磁性層が積層されてなり、該非磁性層が第１交換結合制御層と第１非磁性金属層に分割され、該第１交換結合制御層と該第１非磁性金属層が前記磁壁移動層と接していることが好ましい。
また、前記第２磁性層グループは非磁性の中間交換結合制御層、中間強磁性層、非磁性の第２交換結合制御層および第２強磁性層がこの順に積層されてなり、該中間交換結合制御層が前記磁壁移動層と接しているか、または、前記第２磁性層グループは非磁性の第３交換結合制御層および第３強磁性層が積層されてなり、該第３交換結合制御層が前記磁壁移動層と接しているか、または、前記第２磁性層グループは第４強磁性層だけからなるか、または、前記第２磁性層グループは非磁性層、中間強磁性層、非磁性の第２交換結合制御層および第２強磁性層がこの順に積層されてなり、該非磁性層が中間交換結合制御層と中間非磁性金属層に分割され、該中間交換結合制御層と該中間非磁性金属層が前記磁壁移動層と接しているか、または、前記第２磁性層グループは非磁性層および第３強磁性層が積層されてなり、該非磁性層が第３交換結合制御層と第３非磁性金属層に分割され、該第３交換結合制御層と該第３非磁性金属層が前記磁壁移動層と接していることが好ましい。
【００１０】
また、中間強磁性層を設ける場合は、その膜厚がスピン緩和距離より薄いことが好ましい。
上述した複数のスピン注入磁区移動素子を、第１磁性層グループをビット線に接続し、第２磁性層グループをワード線に接続して連結して、スピン注入磁区移動装置を構成することができる。
本装置の記録、読み出しを行う際は、電気抵抗の差異を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
磁壁移動層の外部に保磁力の大きな強磁性層を配置し、この強磁性層と磁壁移動層との間に反強磁性結合もしくは強磁性結合を形成することにより、磁壁の位置を電気抵抗の変化として記録、再生することが実現可能となった。
さらには、強磁性体と磁壁移動層との間に反強磁性結合もしくは強磁性結合を形成することにより、磁壁と磁壁位置の安定化を図ることが可能となった。この結果、磁壁移動層内における磁壁移動を高速かつ低電流で行なうために磁壁移動層の体積あるいは飽和磁化を小さくしていったとしても、記録された磁壁の熱安定性を確保することが可能であり、高速、低電流化と素子の記録磁化の熱安定性を両立して実現することが可能となった。
本発明の素子を多数個集積するとともに、シリコン半導体ＣＭＯＳ回路を集積した基板上に組み合わせて集積する等の手段により、記録容量が大きく、機械的な駆動部分を含まない磁気的なランダムアクセスメモリが実現できる。この他、本発明の素子は、端子間に流れる電流の向きによって、内部の磁化状態が変化し、端子間の電気抵抗が変わる磁気抵抗効果を発現するため、微弱な電流センサーとしても利用が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態を説明するための断面模式図で、基板４の上に第１電極５、第１磁性層グループ１００、磁壁移動層８、第２磁性層グループ１０１、第２電極２がこの順に形成され、さらに第１電極５上にビット線１が形成されている。第１磁性層グループ１００は第１強磁性層６、第１交換結合制御層７から構成され、第２磁性層グループ１０１は中間交換結合制御層９、中間強磁性層１０、第２交換結合制御層１１、第２強磁性層１２から構成されている。
図２は、本発明の第１の実施の形態の動作原理を説明するための図で、図１の素子の各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層８は磁壁１３により、第１電極側の磁壁移動層８ａと第２電極側の磁壁移動層８ｂに分割されている。
【００１３】
図１の構成が素子の最小単位であり、必要な数の素子を同一基板上に配置して所望の装置を形成する。本発明の素子を駆動するための回路、駆動素子等を同一基板上に配置することも可能である。
基板４の材料は、基板上に配置する複数の素子を独立に制御するために絶縁性を有し、また、素子を保持するために充分な剛性を有する材料であれば、所望の平坦度に応じて適宜選択可能である。例えば、サファイア、酸化シリコンなどの厚さ数１００ｕｍの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保した半導体基板等が使用できる。
第１電極５は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は５０ｎｍ×５０ｎｍから１０００ｎｍ×１０００ｎｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円形状等とすることもできる。
【００１４】
第１強磁性層６と第１交換結合制御層７は、磁壁移動層８の一部で第１電極側の磁壁移動層８ａとの間に反強磁性結合を形成し、第１電極側の磁壁移動層８ａの磁化を第１強磁性層６と反対の向きに固定するためのものである。
第１強磁性層６は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第１強磁性層６の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。また、Ｃｏ５０Ｐｔ５０等の規則合金が特に好ましい。規則合金は、磁気異方性定数Ｋｕが１×１０７ｅｒｇ／ｃｍ３を超える材料が知られており、磁化の方向を安定に保持可能なためである。
【００１５】
第１交換結合制御層７は、第１強磁性層６と磁壁移動層８を所定の間隙で離間し、第１強磁性層６と第１電極側の磁壁移動層８ａとの間の交換結合定数を制御するための非磁性層である。その材料は、Ｒｕ、Ｖ、Ｃ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、ＰｔまたはＰｄ等、あるいはこれらの元素のいずれかを主体とする合金が好ましい。第１交換結合制御層７の厚みにより交換結合定数は正から負の値へと変化する。従って、第１強磁性層６と第１電極側の磁壁移動層８ａが反強磁性結合を行うように第１交換結合制御層７の厚みが選択されるが、厚すぎる場合には交換結合が小さくなるため０．５から３ｎｍが好ましい。例えば、第１強磁性層６がＣｏＰｔ合金、第１交換結合制御層７がＲｕ、磁壁移動層８がＣｏＨｆＴａ合金の場合には、Ｒｕの膜厚０．８ｎｍで反強磁性結合に、Ｒｕの膜厚１．８ｎｍで強磁性結合とすることができる。
【００１６】
磁壁移動層８は層内に形成する磁壁１３の位置により、図１の素子全体の電気抵抗値を変化させ、かつヒステリシスをもたらすものである。動作の詳細については後述する。その材料としては、磁壁が存在する磁性材料であればよく、磁性金属、強磁性半導体あるいは強磁性酸化物等を使用することができる。好ましくは、パーマロイ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＮｉＣｏＦｅ合金、ＣｏＣｒＦｅＡｌ合金、Ｆｅ、ＦｅＰｔ合金、ＮｉＭｎＳｂ合金、ＣｏＭｎ系合金、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＨｆＴａ等である。特に好ましくは、パーマロイ、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅである。その膜厚は、５０ｎｍから５００ｎｍが好ましい。第１強磁性層６の磁化の向きにより第１電極側の磁壁移動層８ａの磁化の向きが容易に制御され、あるいは第２強磁性層１２の磁化の向きにより第２電極側の磁壁移動層８ｂの磁化の向きが容易に制御されることが必要なため、磁壁移動層８の保磁力は１０Ｏｅ以下が好ましい。
【００１７】
中間交換結合制御層９、中間強磁性層１０、第２交換結合制御層１１および第２強磁性層１２は、第２強磁性層１２と中間強磁性層１０との間、および中間強磁性層１０と第２電極側の磁壁移動層８ｂとの間に反強磁性結合を形成して、第２電極側の磁壁移動層８ｂの磁化の向きを第２強磁性層１２と同じ向きに固定するためのものである。さらに、中間強磁性層１０の膜厚を適切に制御することにより、注入される電子スピンを制御するためのものである。
中間交換結合制御層９は、中間強磁性層１０と磁壁移動層８を所定の間隙で離間し、中間強磁性層１０と第２電極側の磁壁移動層８ｂとの間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料、膜厚は、第１交換結合制御層７と同様に設定される。
中間強磁性層１０は、上述した反強磁性結合を形成すると共に、注入される電子のスピンを保存したまま、隣接する層に電子注入するためのものである。例えば、中間交換結合制御層９から注入された電子は、その電子スピンの偏極状態を大部分保存したまま中間強磁性層１０を通過して第２交換結合制御層１１に注入される。電子スピンの向きは電子の平均自由工程の数倍の距離保存されるが、やがて緩和して、通過している磁性層の磁化の向きに揃うこととなる。従って、中間強磁性層１０の膜厚は電子スピンの緩和距離に比べて薄くすることが必要である。電子スピンの緩和距離は、金属では１００から２００ｎｍであるため、中間強磁性層１０の膜厚は５０ｎｍ以下が好ましく、電子スピンの偏極状態を良好に保存するためには、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下が特に好ましい。また、第２強磁性層１２の磁化により、中間強磁性層１０の磁化の向きが容易に制御されることが必要であり、中間強磁性層１０の材料は第２強磁性層１２と比べて保磁力の小さな材料とすることが好ましく、ＣｏＨｆＴａ合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、ＣｏＦｅ合金、ＦｅＣｏＮ合金、ＦｅＡｌＮ合金、Ｎｉ４５Ｆｅ５５合金、Ｎｉ８１Ｆｅ１９合金、ＮｉＦｅＭｏ合金、ＦｅＴａＮ合金等が好ましい。また、保磁力は２０Ｏｅ以下とすることが好ましい。
【００１８】
第２交換結合制御層１１は、中間強磁性層１０と第２強磁性層１２を所定の間隙で離間し、中間強磁性層１０と第２強磁性層１２との間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料、膜厚は、第１交換結合制御層７と同様に設定される。
第２強磁性層１２は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第２強磁性層１２の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。また、Ｃｏ５０Ｐｔ５０等の規則合金が特に好ましい。
第２電極２は導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は５０ｎｍ×５０ｎｍから１０００ｎｍ×１０００ｎｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円状等とすることもできる。
【００１９】
ビット線１は第１電極に所望の電圧を供給するための配線で、Ａｌ、Ｃｕ等の慣用の配線材料を使用することができる。
第１強磁性層６から第２強磁性層１２までの各層の面積は、各電極面積よりも小さくすることが好ましく、５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。
第１電極５から第２電極２までの各層およびビット線１は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
この縦型の素子を図２０の記録セル２０９の位置に配置して、ワード線２０８とビット線２０７に接続することで、集積された磁気メモリを形成することができる。
以下、図２を用いて第１の実施の形態の動作原理について説明する。
初めに、本素子に書き込みあるいは記録を行う場合の動作原理について説明する。
【００２０】
素子は初めに初期化を行う。図２ａは、左向きで飽和磁界に相当する強い磁界を素子に印加し、第１強磁性層６、第２強磁性層１２の磁化をすべて左向きにしたのちに磁界を除いた場合の磁化の状態を示している。
第１強磁性層６と第１電極側の磁壁移動層８ａは反強磁性結合をしており、かつ、第１強磁性層６の保持率が磁壁移動層８の保持率よりも高いことから、第１電極側の磁壁移動層８ａには第１強磁性層６の磁化の向きとは反対になる右向きの磁化が誘起される。また、第２強磁性層１２と中間強磁性層１０とは反強磁性結合をしており、かつ第２強磁性層１２の保持率が中間強磁性層１０の保持率よりも高いことから、中間強磁性層１０には第２強磁性層１２の磁化の向きと反対の右向きの磁化が誘起される。さらに、中間強磁性層１０と第２電極側の磁壁移動層８ｂとは反強磁性結合をしていることから第２電極側の磁壁移動層８ｂには中間強磁性層１０の磁化の向きと反対になる左向きの磁化が誘起される。したがって、磁壁移動層８ａと８ｂは、必ず反対向きの磁化が誘起されることになる。磁壁移動層８の保磁力は小さいため、複数の磁壁が発生している場合もあるが、図２１、２２で説明した原理にしたがって第１電極から第２電極に向けて電流を流すことにより、図２ａの磁壁１３の位置に集約することができる。また、第１電極側の磁壁移動層８ａには、第１強磁性層６との反強磁性結合によって、第１強磁性層６の磁化と反対の向きの磁化が必ず誘起されるため、第１電極から第２電極に向けて電流を流し続けた場合でも磁壁移動層８には安定な磁壁を１つ形成することができる。
【００２１】
図２ａの状態の素子に、第２電極から第１電極に向けて電流を流し続けると、磁壁１３は電流の向きと反対に移動して、図２ｂに示した磁壁配置となる。電流を止めると、中間強磁性層１０と第２電極側の磁壁移動層８ｂは反強磁性結合をしているため、第２電極側の磁壁移動層８ｂには必ず中間強磁性層１０の磁化と反対の磁化が誘起されるため、磁壁移動層８には安定な磁壁が１つ形成され消失することはない。また、充分に電流を流すことにより、第２電極側の磁壁移動層８ｂの厚みを電子スピンの緩和距離に比較して充分に薄くすることが可能であり、例えば、その厚みを２０ｎｍ程度とすることができる。
図２ｂの状態の素子に第１電極から第２電極に向けて電流を流し続けると前記と逆の動作を行って図２ａの状態に到達する。また、充分に電流を流すことにより、第１電極側の磁壁移動層８ａの厚みを電子スピンの緩和距離に比較して充分に薄くすることが可能であり、例えば、その厚みを２０ｎｍ程度とすることができる。
【００２２】
このように、電流の向きを反転させることにより、磁壁移動層８の磁壁１３の位置を、両端部に自由に位置させることができる。
次に、本素子の記録を読み出すあるいは磁化状態を検出する場合の動作原理について説明する。
本動作原理は、磁性層の厚みと電子スピンの緩和距離の相対関係により電子スピンの挙動が異なる点に基づいている。より具体的には、磁性層の厚みが電子スピンの緩和距離に比べて充分に薄い場合は、電子はそのスピンの大部分が保存されて磁性層を通過し、磁性層の厚みが電子スピンの緩和距離と同等以上となる場合には、電子はそのスピンが磁性層の磁化に偏極されて磁性層を通過する点に基づいている。
以下では、図１の素子に対して、検出電流を第２電極２から第１電極５の方向に流した場合（即ち、電子が第１電極５から第２電極２に向かって注入される場合。）を例にとって、素子の電気抵抗の差を検知する方法について説明する。
【００２３】
図２ａでは電子は次の経路を流れる。
＜電子経路１＞：第１電極５−左向きの磁化状態の厚い第１強磁性層６−非磁性の第１交換結合制御層７−右向きの磁化状態が誘起された薄い磁壁移動層８ａ−左向きの磁化状態の厚い磁壁移動層８ｂ−非磁性の中間交換結合制御層９−右向きの磁化状態の薄い中間強磁性層１０−非磁性の第２交換結合制御層１１−左向きの磁化状態の厚い第２強磁性層１２−第２電極２
ここで、電子スピンの緩和距離に比べて同等以上の膜厚の場合を厚いと表現し、電子スピンの緩和距離に比べて充分薄い膜厚の場合を薄いと表現している。薄い膜厚とは、例えば２０ｎｍ程度の膜厚であり、厚い膜厚とは、例えば２００ｎｍ程度の膜厚である。
図２ｂでは電子は次の経路を流れる。厚い、薄いの表現の意味は上述と同様である。
【００２４】
＜電子経路２＞：第１電極５−左向きの磁化状態の厚い第１強磁性層６−非磁性の第１交換結合制御層７−右向きの磁化状態の厚い磁壁移動層８ａ−左向きの磁化状態が誘起された薄い磁壁移動層８ｂ−非磁性の中間交換結合制御層９−右向きの磁化状態の薄い中間強磁性層１０−非磁性の第２交換結合制御層１１−左向きの磁化状態の厚い第２強磁性層１２−第２電極２
スピン偏極した電子は、スピンの向きと異なる方向に磁化された磁性体との界面で散乱または反射を受け、電気抵抗の増加を引き起こす。また、厚い磁性層を通過する場合は、電子のスピンの向きは、磁性体の磁化の向きに偏極することになる。電子経路２と電子経路１を比較すると、電子経路２では、ｓ−ｄ相互作用によって第１強磁性層６中で左向きの磁化の方向のスピンに偏極された電子（ここではダウンスピンと考える）が、厚い磁壁移動層８ａとの界面で大きく散乱または反射されることで電気抵抗増加をもたらす。しかし、磁壁移動層８ａへ注入されたダウンスピンの電子は、ｓ−ｄ相互作用によって今度は厚い磁壁移動層８ａの磁化の向きであるアップスピンに偏極されていく。このアップスピンの電子は、薄い磁壁移動層８ｂに注入されるときに界面で弱い散乱または反射されることになる。薄い磁壁移動層８ｂに注入されたアップスピンの電子は、磁壁移動層８ｂが薄いため、アップスピンに偏極したまま同じ磁化方向を持つ中間強磁性層１０に到達する。この結果、中間強磁性層１０との界面では大きな散乱・反射を受けない。さらに、電子はアップスピンを保持したまま薄い中間強磁性層１０を通過して、厚い第２強磁性層１２の界面で大きく反射・散乱されることになる。
【００２５】
一方、  電子経路１では、ｓ−ｄ相互作用によって第１強磁性層６中で左向きの磁化の方向のダウンスピンに偏極された電子が、薄い磁壁移動層８ａとの界面で弱い散乱または反射を受ける。しかし、磁化の方向が異なる磁壁移動層８ａが薄いためにダウンスピンは保存され、ダウンスピンを保持したまま磁壁移動層８ｂを通過して、磁化の向きの異なる中間強磁性層１０へ到達しその界面で弱い散乱または反射を受ける。しかし、中間強磁性層１０は薄いために、電子はダウンスピンを保持したまま磁化の向きが同じ第２強磁性層１２まで到達する。
磁性膜に電子が注入される場合、磁性膜の磁化の方向と異なる向きのスピンを持つ電子に対して磁性膜界面にはポテンシャル障壁が存在する。したがって、電子はポテンシャル障壁によって散乱、あるいは反射される。界面のポテンシャル障壁によって電子が大きく散乱・反射され電気抵抗を大きく増加する場合とは、十分にスピン偏極した電子が電子の持つスピン角運動量の方向と異なる磁化を持つ厚い磁性体に注入される場合である。すなわち厚い磁性層同士の磁化の組み合わせが、スピン依存伝導に大きく寄与する。より具体的には、素子の電気抵抗は、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さい。
【００２６】
厚い磁性層同士の磁化の組み合わせだけを電子経路１と２から抜きだして比較すると以下のようになる。
＜電子経路１＞：左向きの磁化状態の厚い第１強磁性層６−左向きの磁化状態の厚い磁壁移動層８ｂ−左向きの磁化状態の厚い第２強磁性層１２
＜電子経路２＞：左向きの磁化状態の厚い第１強磁性層６−右向きの磁化状態の厚い磁壁移動層８ａ−左向きの磁化状態の第２強磁性層１２
電子経路１と２を比較すると、電子経路２では、ｓ−ｄ相互作用によって厚い第１強磁性層６中で左向きに偏極した電子スピンが、右向きの磁化を持つ厚い磁壁移動層８ａに注入される。さらに磁壁移動層８ａ中でｓ−ｄ相互作用によって右向きに偏極した電子スピンが、左向きの磁化を持つ第２強磁性層１２に注入されるわけで、２度にわたって異なる磁化の向きをもつ層に注入される。一方、  電子経路１では、ｓ−ｄ相互作用によって厚い第１強磁性層６中で左向きに偏極した電子スピンは、同じ左向きの磁化をもつ厚い磁壁移動層８ｂ、第２強磁性層１２に注入されるため、大きな散乱・反射を受けない。このため、電子経路２の電気抵抗は電子経路１の電気抵抗よりも高くなる。したがって、電極間の電気抵抗を測定することによって、容易に素子の内部磁化の状態を検知することができる。
【００２７】
なお、上記では、特にメモリー素子において有効となる二つの磁化状態の検出方法について説明したが、磁化状態を連続的に検出することも可能である。電子が電子スピンと異なる磁化の磁性層を通過する場合、電子スピンは磁性層の磁化に揃うまで連続的に変化する。即ち、通過する距離に応じて電子スピンの偏極の程度が異なるわけで、電子スピンの偏極の程度に応じて次に注入される磁性層での電気抵抗が変化することとなる。より具体的には、磁壁移動層８の磁壁１３の位置に応じて第１電極から第２電極までの電気抵抗が連続的に変化する。磁壁１３の位置は素子に流れた電流に依存するため、素子の電気抵抗を検出することにより、流れた電流を検出することが実現可能となる。
また、電気抵抗の変化を段階的に区分することにより、多値記録を行うこともできる。
図１の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、反強磁性結合を強磁性結合とすることもできる。以下、より具体的に説明する。
【００２８】
図３は第１の実施の形態の他の構成例を説明するための断面模式図で、基板４の上に第１電極５、第１磁性層グループ１００、磁壁移動層８、第２磁性層グループ１０１、第２電極２がこの順に形成され、さらに第１電極５上にビット線１が形成されている。第１磁性層グループ１００は第１強磁性層６、第１交換結合制御層７から構成され、第２磁性層グループ１０１は第３交換結合制御層１２１、第３強磁性層１２２から構成されている。図４は、図３の構成の素子の動作原理を説明するための図で、各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層８は磁壁１３により、第１電極側の磁壁移動層８ａと第２電極側の磁壁移動層８ｂに分割されている。
基板４、第１電極５、第１強磁性層６、第１交換結合制御層７、第２電極２、ビット線１は前述した図１の素子と同様に構成する。
【００２９】
磁壁移動層８は、第２電極側の磁壁移動層８ｂの制御方法が図１の素子と異なるが、材料、膜厚、磁気特性は図１の素子と同様に構成する。
第３交換結合制御層１２１および第３強磁性層１２２は、第３強磁性層１２２と第２電極側の磁壁移動層８ｂとの間に強磁性結合を形成して、第２電極側の磁壁移動層８ｂの磁化の向きを第３強磁性層１２２と同じ向きに固定するためのものである。
第３交換結合制御層１２１は、磁壁移動層８と第３強磁性層１２２を所定の間隙で離間し、第２電極側の磁壁移動層８ｂと第３強磁性層１２２との間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料は第１交換結合制御層７と同様に設定され、その膜厚は第２電極側の磁壁移動層８ｂと第３強磁性層１２２とが強磁性結合を行うように設定される。
第３強磁性層１２２は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第３強磁性層１２２の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
【００３０】
第１強磁性層６から第３強磁性層１２２までの各層の面積は、各電極面積よりも小さくすることが好ましく、５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。
第１電極５から第２電極２までの各層およびビット線１は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
動作原理は図１の素子と同様である。書き込みの場合は、第１電極５と第２電極２の間に印加する電流の向きにより、磁壁１３の位置が図４ａ、４ｂ等の位置に移動することに基づいて行う。第１電極５から第２電極２に向けて充分に電流を流した場合は、図４ａの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層８ａの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。逆に、第２電極２から第１電極５に向けて充分に電流を流した場合は、図４ｂの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層８ｂの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。
【００３１】
読み込みの場合は、素子の電気抵抗が、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さいことに基づいて行う。図４ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層６、第２電極側の磁壁移動層８ｂおよび第３強磁性層１２２がすべて同じ向きに向いている。一方、図４ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層６、第１電極側の磁壁移動層８ａおよび第３強磁性層１２２は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図４ｂの磁化状態の電気抵抗は、図４ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなる。
図５は、第１の実施の形態のさらに他の構成例を説明するための断面模式図で、基板４の上に第１電極５、第１磁性層グループ１００、磁壁移動層８、第２磁性層グループ１０１、第２電極２がこの順に形成され、さらに第１電極５上にビット線１が形成されている。第１磁性層グループ１００は第１強磁性層６、第１交換結合制御層７から構成され、第２磁性層グループ１０１は第４強磁性層１４２から構成されている。
【００３２】
図６は、図５の構成の素子の動作原理を説明するための図で、各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層８は磁壁１３により、第１電極側の磁壁移動層８ａと第２電極側の磁壁移動層８ｂに分割されている。
基板４、第１電極５、第１強磁性層６、第１交換結合制御層７、第２電極２、ビット線１は前述した図１の素子と同様に構成する。
磁壁移動層８は、第２電極側の磁壁移動層８ｂの制御方法が図１の素子と異なるが、材料、膜厚、磁気特性は図１の素子と同様に構成する。
第４強磁性層１４２と磁壁移動層８は直接接しており、第４強磁性層１４２と第２電極側の磁壁移動層８ｂとの間に強磁性結合が形成され、第２電極側の磁壁移動層８ｂの磁化の向きは第３強磁性層１２２と同じ向きに固定される。
【００３３】
第４強磁性層１４２は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第４強磁性層１４２の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
第１強磁性層６から第４強磁性層１４２までの各層の面積は、各電極面積よりも小さくすることが好ましく、５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。
第１電極５から第２電極２までの各層およびビット線１は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
【００３４】
動作原理は図１の素子と同様である。書き込みの場合は、第１電極５と第２電極２の間に印加する電流の向きにより、磁壁１３の位置が図６ａ、６ｂ等の位置に移動することに基づいて行う。第１電極５から第２電極２に向けて充分に電流を流した場合は、図６ａの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層８ａの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。逆に、第２電極２から第１電極５に向けて充分に電流を流した場合は、図６ｂの磁化状態となり、第２電極側の磁壁移動層８ｂの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。
読み込みの場合は、素子の電気抵抗が、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さいことに基づいて行う。図６ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層６、第２電極側の磁壁移動層８ｂおよび第４強磁性層１４２がすべて同じ向きに向いている。一方、図６ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層６、第１電極側の磁壁移動層８ａおよび第４強磁性層１４２は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図６ｂの磁化状態の電気抵抗は、図６ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなる。
【００３５】
第１の実施形態のさらに別の構成例としては、上述した各構成において、第１電極５から第２電極２までの各層の順序をまったく正反対にしたものも使用可能であることはいうまでもない。
（第２の実施の形態）
図７は本発明の第２の実施の形態を説明するための断面模式図で、基板２０の上に磁壁移動層２２が形成され、磁壁移動層２２の一方の端部の上に第１磁性層グループ１００、第１電極２５がこの順に形成され、磁壁移動層２２の他の端部の上には第２磁性層グループ１０１、第２電極３０がこの順に形成されている。第１磁性層グループ１００は第１交換結合制御層２３、第１強磁性層２４がこの順に形成され、第２磁性層グループ１０１は中間交換結合制御層２６、中間強磁性層２７、第２交換結合制御層２８および第２強磁性層２９がこの順に形成されている。
【００３６】
図８は、本発明の第２の実施の形態の動作原理を説明するための図で、図７の素子の各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層２２は磁壁３３により、第１電極側の磁壁移動層２２ａと第２電極側の磁壁移動層２２ｂに分割されている。
図７の構成が素子の最小単位であり、必要な数の素子を同一基板上に配置して所望の装置を形成する。本発明の素子を駆動するための回路、駆動素子等を同一基板上に配置することも可能である。
基板２０の材料は、基板上に配置する複数の素子を独立に制御するために絶縁性を有し、また、素子を保持するために充分な剛性を有する材料であれば、所望の平坦度に応じて適宜選択可能である。例えば、サファイア、酸化シリコンなどの厚さ数１００ｕｍの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保した半導体基板等が使用できる。
【００３７】
第１電極２５は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円形状等とすることもできる。
第１強磁性層２４と第１交換結合制御層２３は、磁壁移動層２２の一部で第１電極側の磁壁移動層２２ａとの間に反強磁性結合を形成し、第１電極側の磁壁移動層２２ａの磁化を第１強磁性層２４と反対の向きに固定するためのものである。
第１強磁性層２４は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第１強磁性層２４の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
【００３８】
第１交換結合制御層２３は、第１強磁性層２４と磁壁移動層２２を所定の間隙で離間し、第１強磁性層２４と第１電極側の磁壁移動層２２ａとの間の交換結合定数を制御するための非磁性層である。その材料は、Ｒｕ、Ｖ、Ｃ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、ＰｔまたはＰｄ等、あるいはこれらの元素のいずれかを主体とする合金が好ましい。第１交換結合制御層２３の厚みにより交換結合定数は正から負の値へと変化する。従って、第１強磁性層２４と第１電極側の磁壁移動層２２ａが反強磁性結合を行うように第１交換結合制御層２３の厚みが選択されるが、厚すぎる場合には交換結合が小さくなるため０．５から３ｎｍが好ましい。
磁壁移動層２２は層内に形成する磁壁３３の位置により、図７の素子全体の電気抵抗値を変化させ、かつヒステリシスをもたらすものである。動作の詳細については後述する。その材料としては、磁壁が存在する磁性材料であればよく、磁性金属、強磁性半導体あるいは強磁性酸化物等を使用することができる。好ましくは、パーマロイ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＮｉＣｏＦｅ合金、ＣｏＣｒＦｅＡｌ合金、Ｆｅ、ＦｅＰｔ合金、ＮｉＭｎＳｂ合金、ＣｏＭｎ系合金、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＨｆＴａ等である。特に好ましくは、パーマロイ、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅである。その膜厚は、５０ｎｍから５００ｎｍが好ましい。第１強磁性層２４の磁化の向きにより第１電極側の磁壁移動層２２ａの磁化の向きが容易に制御され、あるいは第２強磁性層２９の磁化の向きにより第２電極側の磁壁移動層２２ｂの磁化の向きが容易に制御されることが必要なため、磁壁移動層２２の保磁力は１０Ｏｅ以下が好ましい。その大きさは、第１磁性層グループ１００と第２磁性層グループ１０１とが所望の距離で離間して形成される大きさであれば良いが、複数の素子を高密度で集積するためには、幅３０ｎｍから２００ｎｍ、長さ５０ｎｍから１０００ｎｍの長方形状が好ましい。
【００３９】
中間交換結合制御層２６、中間強磁性層２７、第２交換結合制御層２８および第２強磁性層２９は、第２強磁性層２９と中間強磁性層２７との間、および中間強磁性層２７と第２電極側の磁壁移動層２２ｂとの間に反強磁性結合を形成して、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの磁化の向きを第２強磁性層２９と同じ向きに固定するためのものである。さらに、中間強磁性層２７の膜厚を適切に制御することにより、注入される電子スピンを制御するためのものである。
中間交換結合制御層２６は、中間強磁性層２７と磁壁移動層２２を所定の間隙で離間し、中間強磁性層２７と第２電極側の磁壁移動層２２ｂとの間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料、膜厚は、第１交換結合制御層２３と同様に設定される。
中間強磁性層２７は、上述した反強磁性結合を形成すると共に、注入される電子のスピンを保存したまま、隣接する層に電子注入するためのものである。例えば、中間交換結合制御層２６から注入された電子は、その電子スピンの偏極状態を大部分保存したまま中間強磁性層２７を通過して第２交換結合制御層２８に注入される。中間強磁性層２７の膜厚は電子スピンの緩和距離に比べて薄くすることが必要であるため、膜厚は５０ｎｍ以下が好ましく、電子スピンの偏極状態を良好に保存するためには、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下が特に好ましい。また、第２強磁性層２９の磁化により、中間強磁性層２７の磁化の向きが容易に制御されることが必要であり、中間強磁性層２７の材料は第２強磁性層２９と比べて保磁力の小さな材料とすることが好ましく、ＣｏＨｆＴａ合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、ＣｏＦｅ合金、ＦｅＣｏＮ合金、ＦｅＡｌＮ合金、Ｎｉ４５Ｆｅ５５合金、Ｎｉ８１Ｆｅ１９合金、ＮｉＦｅＭｏ合金、ＦｅＴａＮ合金等が好ましい。また、保磁力は２０Ｏｅ以下とすることが好ましい。
【００４０】
第２交換結合制御層２８は、中間強磁性層２７と第２強磁性層２９を所定の間隙で離間し、中間強磁性層２７と第２強磁性層２９との間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料、膜厚は、第１交換結合制御層２３と同様に設定される。
第２強磁性層２９は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第２強磁性層２９の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
第２電極３０は導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円状等とすることもできる。
【００４１】
第１強磁性層２４と第１交換結合制御層２３の面積は第１電極２５の面積と同等とすることが好ましく、中間交換結合制御層２６から第２強磁性層２９までの各層の面積は、第２電極３０の面積と同等とすることが好ましい。
基板２０上の各層は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
図９は、図７の素子を多数配置するための方法の例を示す模式図であり、素子の第１電極２５が複数の水平に走るワード線３２に、第２電極３０が複数の縦に走るビット線３１に接続されることで集積された磁気メモリを実現できる。
以下、図８を用いて第２の実施の形態の動作原理について説明する。
初めに、本素子に書き込みあるいは記録を行う場合の動作原理について説明する。
【００４２】
素子は初めに初期化を行う。図８ａは、右向きで飽和磁界に相当する強い磁界を素子に印加し、第１強磁性層２４、第２強磁性層２９の磁化をすべて右向きにしたのちに磁界を除いた場合の磁化の状態を示している。
第１強磁性層２４と第１電極側の磁壁移動層２２ａは反強磁性結合をしており、かつ、第１強磁性層２４の保持率が磁壁移動層２２の保持率よりも高いことから、第１電極側の磁壁移動層２２ａには第１強磁性層２４の磁化の向きとは反対になる左向きの磁化が誘起される。また、第２強磁性層２９と中間強磁性層２７とは反強磁性結合をしており、かつ第２強磁性層２９の保持率が中間強磁性層２７の保持率よりも高いことから、中間強磁性層２７には第２強磁性層２９の磁化の向きと反対の左向きの磁化が誘起される。さらに、中間強磁性層２７と第２電極側の磁壁移動層２２ｂとは反強磁性結合をしていることから第２電極側の磁壁移動層２２ｂには中間強磁性層２７の磁化の向きと反対になる右向きの磁化が誘起される。したがって、磁壁移動層２２ａと８ｂは、必ず反対向きの磁化が誘起されることになる。磁壁移動層２２の保磁力は小さいため、複数の磁壁が発生している場合もあるが、図２１、２２で説明した原理にしたがって第１電極から第２電極に向けて電流を流すことにより、図８ａの磁壁３３の位置に集約することができる。また、第１電極側の磁壁移動層２２ａには、第１強磁性層２４との反強磁性結合によって、第１強磁性層２４の磁化と反対の向きの磁化が必ず誘起されるため、第１電極から第２電極に向けて電流を流し続けた場合でも磁壁移動層２２には安定な磁壁を１つ形成することができる。
【００４３】
図８ａの状態の素子に、第２電極から第１電極に向けて電流を流し続けると、磁壁３３は電流の向きと反対に移動して、図８ｂに示した磁壁配置となる。電流を止めると、中間強磁性層２７と第２電極側の磁壁移動層２２ｂは反強磁性結合をしているため、第２電極側の磁壁移動層２２ｂには必ず中間強磁性層２７の磁化と反対の磁化が誘起されるため、磁壁移動層２２には安定な磁壁が１つ形成され消失することはない。また、充分に電流を流すことにより、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの厚みを電子スピンの緩和距離に比較して充分に薄くすることが可能であり、例えば、その厚みを２０ｎｍ程度とすることができる。
図８ｂの状態の素子に第１電極から第２電極に向けて電流を流し続けると前記と逆の動作を行って図８ａの状態に到達する。また、充分に電流を流すことにより、第１電極側の磁壁移動層２２ａの厚みを電子スピンの緩和距離に比較して充分に薄くすることが可能であり、例えば、その厚みを２０ｎｍ程度とすることができる。
【００４４】
このように、電流の向きを反転させることにより、磁壁移動層２２の磁壁３３の位置を、両端部に自由に位置させることができる。
次に、本素子の記録を読み出すあるいは磁化状態を検出する場合の動作原理について説明する。
本動作原理は、第１の実施形態で説明したものと同様の原理であり、磁性層の厚みと電子スピンの緩和距離の相対関係により電子スピンの挙動が異なる点に基づいている。以下では、図７の素子に対して、検出電流を第２電極３０から第１電極２５の方向に流した場合（即ち、電子が第１電極２５から第２電極３０に向かって注入される場合。）を例にとって、素子の電気抵抗の差を検知する方法について説明する。また、各層が厚い、薄いの意味は、電子がその層を通過する距離が、電子スピンの緩和距離に比べて同等以上の長さの場合を厚いと表現し、電子スピンの緩和距離に比べて充分短い場合を薄いと表現している。
【００４５】
前述したように、素子の電気抵抗は、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さい。図８ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層２４、第２電極側の磁壁移動層２２ｂおよび第３強磁性層４９がすべて同じ向きに向いている。一方、図８ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層２４、第１電極側の磁壁移動層２２ａおよび第３強磁性層２９は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図８ｂの磁化状態の電気抵抗は、図８ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなるため、両電極間の電気抵抗を測定することによって、容易に素子の内部磁化の状態を検知することができる。
また、磁化状態を連続的に検出することにより、流れた電流を検出すること、また、電気抵抗の変化を段階的に区分することにより、多値記録を行うことも第１の実施の形態で説明した方法に準じて実現できる。
【００４６】
図７の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、反強磁性結合を強磁性結合とすることもできる。以下、より具体的に説明する。
図１０は第２の実施の形態の他の構成例を説明するための断面模式図で、基板２０の上に磁壁移動層２２が形成され、磁壁移動層２２の一方の端部の上に第１磁性層グループ１００、第１電極２５がこの順に形成され、磁壁移動層２２の他の端部の上には第２磁性層グループ１０１、第２電極３０がこの順に形成されている。第１磁性層グループ１００は第１交換結合制御層２３、第１強磁性層２４がこの順に形成され、第２磁性層グループ１０１は第３交換結合制御層４８、第３強磁性層４９がこの順に形成されている。
図１１は、図１０の構成の素子の動作原理を説明するための図で、各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層２２は磁壁３３により、第１電極側の磁壁移動層２２ａと第２電極側の磁壁移動層２２ｂに分割されている。
【００４７】
基板２０、第１電極２５、第１強磁性層２４、第１交換結合制御層２３、第２電極３０は前述した図７の素子と同様に構成する。
磁壁移動層２２は、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの制御方法が図７の素子と異なるが、材料、膜厚、磁気特性は図７の素子と同様に構成する。
第３交換結合制御層４８および第３強磁性層４９は、第３強磁性層４９と第２電極側の磁壁移動層２２ｂとの間に強磁性結合を形成して、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの磁化の向きを第３強磁性層４９と同じ向きに固定するためのものである。
第３交換結合制御層４８は、磁壁移動層２２と第３強磁性層４９を所定の間隙で離間し、第２電極側の磁壁移動層２２ｂと第３強磁性層４９との間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料は第１交換結合制御層２３と同様に設定され、その膜厚は第２電極側の磁壁移動層２２ｂと第３強磁性層４９が強磁性結合を行うように設定される。
【００４８】
第３強磁性層４９は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第３強磁性層４９の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
第１強磁性層２４と第１交換結合制御層２３の面積は第１電極２５の面積と同等とすることが好ましく、第３強磁性層４９と第３交換結合制御層４８の面積は、第２電極３０の面積と同等とすることが好ましい。
基板２０上の各層は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
【００４９】
動作原理は図７の素子と同様である。書き込みの場合は、第１電極２５と第２電極３０の間に印加する電流の向きにより、磁壁３３の位置が図１１ａ、１１ｂ等の位置に移動することに基づいて行う。第１電極２５から第２電極３０に向けて充分に電流を流した場合は、図１１ａの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層２２ａの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。逆に、第２電極３０から第１電極２５に向けて充分に電流を流した場合は、図１１ｂの磁化状態となり、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。
読み込みの場合は、素子の電気抵抗が、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さいことに基づいて行う。図１１ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層２４、第２電極側の磁壁移動層２２ｂおよび第３強磁性層４９がすべて同じ向きに向いている。一方、図１１ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層２４、第１電極側の磁壁移動層２２ａおよび第３強磁性層４９は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図１１ｂの磁化状態の電気抵抗は、図１１ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなる。
【００５０】
図１２は、第２の実施の形態のさらに他の構成例を説明するための断面模式図で、基板２０の上に磁壁移動層２２が形成され、磁壁移動層２２の一方の端部の上に第１磁性層グループ１００、第１電極２５がこの順に形成され、磁壁移動層２２の他の端部の上には第２磁性層グループ１０１、第２電極３０がこの順に形成されている。第１磁性層グループ１００は第１交換結合制御層２３、第１強磁性層２４がこの順に形成され、第２磁性層グループは第４強磁性層１０９から構成されている。
図１３は、図１２の構成の素子の動作原理を説明するための図で、各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層２２は磁壁３３により、第１電極側の磁壁移動層２２ａと第２電極側の磁壁移動層２２ｂに分割されている。
基板２０、第１電極２５、第１強磁性層２４、第１交換結合制御層２３、第２電極３０は前述した図７の素子と同様に構成する。
【００５１】
磁壁移動層２２は、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの制御方法が図７の素子と異なるが、材料、膜厚、磁気特性は図７の素子と同様に構成する。
第４強磁性層１０９と磁壁移動層２２は直説接しており、第４強磁性層１０９と第２電極側の磁壁移動層２２ｂとの間に強磁性結合が形成され、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの磁化の向きは第３強磁性層４９と同じ向きに固定される。
第４強磁性層１０９は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第４強磁性層１０９の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
【００５２】
第１強磁性層２４と第１交換結合制御層２３の面積は第１電極２５の面積と同等とすることが好ましく、第４強磁性層１０９の面積は第２電極３０の面積と同等とすることが好ましい。
基板２０上の各層は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
動作原理は図７の素子と同様である。書き込みの場合は、第１電極２５と第２電極３０の間に印加する電流の向きにより、磁壁３３の位置が図１３ａ、１３ｂ等の位置に移動することに基づいて行う。第１電極２５から第２電極３０に向けて充分に電流を流した場合は、図１３ａの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層２２ａの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。逆に、第２電極３０から第１電極２５に向けて充分に電流を流した場合は、図１３ｂの磁化状態となり、第２電極側の磁壁移動層２２ｂの厚みは電子スピン緩和距離よりも充分薄くして、例えば２０ｎｍ程度とすることができる。
【００５３】
読み込みの場合は、素子の電気抵抗が、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さいことに基づいて行う。図１３ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層２４、第２電極側の磁壁移動層２２ｂおよび第４強磁性層１０９がすべて同じ向きに向いている。一方、図１３ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層２４、第１電極側の磁壁移動層２２ａおよび第４強磁性層１０９は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図１３ｂの磁化状態の電気抵抗は、図１３ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなる。
第２の実施形態のさらに別の構成例としては、上述した各構成において、第１電極２５から第２電極３０までの各層の順序をまったく正反対にしたものも使用可能であることはいうまでもない。
（第３の実施の形態）
図１４は本発明の第３の実施の形態を説明するための断面模式図で、基板６０の上に磁壁移動層６２が形成され、磁壁移動層６２の一方の端部の上に第１磁性層グループ１００、第１電極６５がこの順に形成されており、磁壁移動層６２の他の端部の上には第２磁性層グループ１０１、第２電極７１がこの順に形成されている。第１磁性層グループ１００は、第１交換結合制御層６３と第１非磁性金属層６６が隣接して形成され、両者の上に第１強磁性層６４が形成されている。第２磁性層グループ１０１は、中間非磁性金属層６７と中間交換結合制御層７２が隣接して形成され、両者の上に中間強磁性層６８、第２交換結合制御層６９、第２強磁性層７０がこの順に形成されいる。
【００５４】
図１５は、本発明の第３の実施の形態の動作原理を説明するための図で、図１４の素子の各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層６２は磁壁７３により、第１電極側の磁壁移動層６２ａと第２電極側の磁壁移動層６２ｂに分割されている。
図１４の構成が素子の最小単位であり、必要な数の素子を同一基板上に配置して所望の装置を形成する。本発明の素子を駆動するための回路、駆動素子等を同一基板上に配置することも可能である。
基板６０の材料は、基板上に配置する複数の素子を独立に制御するために絶縁性を有し、また、素子を保持するために充分な剛性を有する材料であれば、所望の平坦度に応じて適宜選択可能である。例えば、サファイア、酸化シリコンなどの厚さ数１００ｕｍの絶縁基板や、表面を酸化し絶縁性を確保した半導体基板等が使用できる。
【００５５】
第１電極６５は、導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円形状等とすることもできる。
第１強磁性層６４と第１交換結合制御層６３は、磁壁移動層６２の一部で第１電極側の磁壁移動層６２ａとの間に反強磁性結合を形成し、第１電極側の磁壁移動層６２ａの磁化を第１強磁性層６４と反対の向きに固定するためのものである。
第１強磁性層６４は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第１強磁性層６４の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
【００５６】
第１交換結合制御層６３は、第１強磁性層６４と磁壁移動層６２を所定の間隙で離間し、第１強磁性層６４と第１電極側の磁壁移動層６２ａとの間の交換結合定数を制御するための非磁性層である。その材料は、Ｒｕ、Ｖ、Ｃ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｈ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｉｒ、ＰｔまたはＰｄ等、あるいはこれらの元素のいずれかを主体とする合金が好ましい。第１交換結合制御層６３の厚みにより交換結合定数は正から負の値へと変化する。従って、第１強磁性層６４と第１電極側の磁壁移動層６２ａが反強磁性結合を行うように第１交換結合制御層６３の厚みが選択されるが、厚すぎる場合には交換結合が小さくなるため０．５から３ｎｍが好ましい。
第１非磁性金属層６６は、第１強磁性層６４と磁壁移動層６２の間で導電性を確保するとともに、第１強磁性層６４と磁壁移動層６２の間の磁気的な結合を断つためのものである。ここで磁気的な結合を断つとは、磁壁移動層６２の内、第１非磁性金属層６６を挟んで第１強磁性層６４と対向する部分については、磁化の向きが特定の関係に固定されない状態にあることを意味している。より具体的には、第１強磁性層６４の磁化の向きが右向きの場合に、磁壁移動層６２の内で第１非磁性金属層６６に接する部分は、その磁化の向きが右向き、左向きのどちらの状態もとりうることを意味している。第１非磁性金属層６６の材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｕ、およびこれらの合金等が好ましい。その厚みは第１交換結合制御層６３と合わせることが好ましい。
【００５７】
第１交換結合制御層６３と第１非磁性金属層６６との面積の比率は、素子全体の所望の大きさ、電気抵抗値により適宜設定されるが、０．１：１から１：０．１が好ましく、特に０．５：１から１：０．５が好ましい。第１非磁性金属層６６の配置は、後述する動作原理を考慮して第１交換結合制御層よりも第２磁性層グループに近く設定する。
磁壁移動層６２は層内に形成する磁壁７３の位置により、図１４の素子全体の電気抵抗値を変化させ、かつヒステリシスをもたらすものである。動作の詳細については後述する。その材料としては、磁壁が存在する磁性材料であればよく、磁性金属、強磁性半導体あるいは強磁性酸化物等を使用することができる。好ましくは、パーマロイ、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、ＮｉＣｏＦｅ合金、ＣｏＣｒＦｅＡｌ合金、Ｆｅ、ＦｅＰｔ合金、ＮｉＭｎＳｂ合金、ＣｏＭｎ系合金、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＨｆＴａ等である。特に好ましくは、パーマロイ、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅである。その膜厚は、５０ｎｍから５００ｎｍが好ましい。第１強磁性層６４の磁化の向きにより第１電極側の磁壁移動層６２ａの磁化の向きが容易に制御され、あるいは第２強磁性層７０の磁化の向きにより第２電極側の磁壁移動層６２ｂの磁化の向きが容易に制御されることが必要なため、磁壁移動層６２の保磁力は１０Ｏｅ以下が好ましい。その大きさは、第１磁性層グループ１００と第２磁性層グループ１０１とが所望の距離で離間して形成される大きさであれば良いが、複数の素子を高密度で集積するためには、幅３０ｎｍから２００ｎｍ、長さ５０ｎｍから１０００ｎｍの長方形状が好ましい。
【００５８】
中間交換結合制御層７２、中間強磁性層６８、第２交換結合制御層６９および第２強磁性層７０は、第２強磁性層７０と中間強磁性層６８との間、および中間強磁性層６８と第２電極側の磁壁移動層６２ｂとの間に反強磁性結合を形成して、第２電極側の磁壁移動層６２ｂの磁化の向きを第２強磁性層７０と同じ向きに固定するためのものである。さらに、中間強磁性層６８の膜厚を適切に制御することにより、注入される電子スピンを制御するためのものである。
中間交換結合制御層７２は、中間強磁性層６８と磁壁移動層６２を所定の間隙で離間し、中間強磁性層６８と第２電極側の磁壁移動層６２ｂとの間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料、膜厚は、第１交換結合制御層６３と同様に設定される。
中間非磁性金属層６７は、中間強磁性層６８と磁壁移動層６２の間で導電性を確保するとともに、中間強磁性層６８と磁壁移動層６２の間の磁気的な結合を断つためのものである。磁気的な結合を断つことの意味は前述の通りである。中間非磁性金属層６７の材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｕ、およびこれらの合金等が好ましい。その厚みは中間交換結合制御層７２と合わせることが好ましい。
【００５９】
中間交換結合制御層７２と中間非磁性金属層６７との面積の比率は、素子全体の所望の大きさ、電気抵抗値により適宜設定されるが、０．１：１から１：０．１が好ましく、特に０．５：１から１：０．５が好ましい。中間非磁性金属層６７の配置は、後述する動作原理を考慮して中間交換結合制御層７２よりも第１磁性層グループに近く設定する。
中間強磁性層６８は、上述した反強磁性結合を形成すると共に、注入される電子のスピンを保存したまま、隣接する層に電子注入するためのものである。例えば、中間非磁性金属層６７から注入された電子は、その電子スピンの偏極状態を大部分保存したまま中間強磁性層６８を通過して第２交換結合制御層６９に注入される。中間強磁性層６８の膜厚は電子スピンの緩和距離に比べて薄くすることが必要であるため、膜厚は５０ｎｍ以下が好ましく、電子スピンの偏極状態を良好に保存するためには、５ｎｍ以上、２０ｎｍ以下が特に好ましい。また、第２強磁性層７０の磁化により、中間強磁性層６８の磁化の向きが容易に制御されることが必要であり、中間強磁性層６８の材料は第２強磁性層７０と比べて保磁力の小さな材料とすることが好ましく、ＣｏＨｆＴａ合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、ＣｏＦｅ合金、ＦｅＣｏＮ合金、ＦｅＡｌＮ合金、Ｎｉ４５Ｆｅ５５合金、Ｎｉ８１Ｆｅ１９合金、ＮｉＦｅＭｏ合金、ＦｅＴａＮ合金等が好ましい。また、保磁力は２０Ｏｅ以下とすることが好ましい。
【００６０】
第２交換結合制御層６９は、中間強磁性層６８と第２強磁性層７０を所定の間隙で離間し、中間強磁性層６８と第２強磁性層７０との間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料、膜厚は、第１交換結合制御層６３と同様に設定される。
第２強磁性層７０は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第２強磁性層７０の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
第２電極７１は導電性の材料であれば適宜選択可能であり、その厚さは数十ｎｍから数百ｎｍ、面積は５０ｎｍ×５０ｎｍから３００ｎｍ×３００ｎｍの範囲が好ましい。その形状は四角形状が好ましいが、所望により丸型、楕円状等とすることもできる。
【００６１】
第１交換結合制御層６３と第１非磁性金属層６６を合わせた面積および第１強磁性層６４の面積は第１電極６５の面積と同等とすることが好ましく、中間交換結合制御層７２と中間非磁性金属層６７を合わせた面積、中間強磁性層６８から第２強磁性層７０までの各層の面積は、第２電極７１の面積と同等とすることが好ましい。
基板６０上の各層は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
図１４の素子においても図９の配置を用いて、素子の第１電極６５が複数の水平に走るワード線３２に、第２電極７１が複数の縦に走るビット線３１に接続されることで集積された磁気メモリを実現できる。
以下、図１５を用いて第３の実施の形態の動作原理について説明する。
【００６２】
初めに、本素子に書き込みあるいは記録を行う場合の動作原理について説明する。
素子は初めに初期化を行う。図１５ａは、右向きで飽和磁界に相当する強い磁界を素子に印加し、第１強磁性層６４、第２強磁性層７０の磁化をすべて右向きにしたのちに磁界を除いた場合の磁化の状態を示している。
磁壁移動層６２の内で第１交換結合制御層６３と接する部分と第１強磁性層６４との磁化の関係は図７の素子と同様である。また、磁壁移動層６２の内で中間交換結合制御層７２と接する部分、中間強磁性層６８、第２強磁性層７０との間の磁化の関係も図７の素子と同様である。磁壁移動層６２の内で第１非磁性金属層６６と接する部分、および磁壁移動層６２の内で中間非磁性金属層６７と接する部分は前述のごとく磁化は固定されない。従って、例えば図１５ａにおいては第２電極側の磁壁移動層６２ｂが第１強磁性層の下まで延伸する。この場合、電子は第１強磁性層６４、第１非磁性金属層６６、第２電極側の磁壁移動層６２ｂの経路で移動することが可能である。なお、磁壁移動層６２の膜厚が厚い場合には、第１電極側の磁壁移動層６２ａは図８ａのごとく第１交換結合制御層６３の近傍に局在することになる。
【００６３】
図１５ａの状態の素子に、第２電極から第１電極に向けて電流を流し続けると、磁壁７３は電流の向きと反対に移動して、図１５ｂに示した磁壁配置となる。電流を止めると、中間強磁性層６８と第２電極側の磁壁移動層６２ｂは反強磁性結合をしているため、第２電極側の磁壁移動層６２ｂには必ず中間強磁性層６８の磁化と反対の磁化が誘起されるため、磁壁移動層６２には安定な磁壁が１つ形成され消失することはない。
図１５ｂの状態の素子に第１電極から第２電極に向けて電流を流し続けると前記と逆の動作を行って図１５ａの状態に到達する。第１強磁性層６４と第１電極側の磁壁移動層６２ａは反強磁性結合をしているため、第１電極側の磁壁移動層６２ａには必ず第１強磁性層６４の磁化と反対の磁化が誘起されるため、磁壁移動層６２には安定な磁壁が１つ形成され消失することはない。
【００６４】
このように、電流の向きを反転させることにより、磁壁移動層６２の磁壁７３の位置を、両端部に自由に位置させることができる。
次に、本素子の記録を読み出すあるいは磁化状態を検出する場合の動作原理について説明する。
本動作原理は、第１の実施形態で説明したものと同様の原理であり、磁性層の厚みと電子スピンの緩和距離の相対関係により電子スピンの挙動が異なる点に基づいている。以下では、図１４の素子に対して、検出電流を第２電極７１から第１電極６５の方向に流した場合（即ち、電子が第１電極６５から第２電極７１に向かって注入される場合。）を例にとって、素子の電気抵抗の差を検知する方法について説明する。また、各層が厚い、薄いの意味は、電子がその層を通過する距離が、電子スピンの緩和距離に比べて同等以上の長さの場合を厚いと表現し、電子スピンの緩和距離に比べて充分短い場合を薄いと表現している。
【００６５】
前述したように、素子の電気抵抗は、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さい。図１５ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層６４、第２電極側の磁壁移動層６２ｂおよび第２強磁性層７０がすべて同じ向きに向いている。一方、図１５ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層６４、第１電極側の磁壁移動層６２ａおよび第２強磁性層７０は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図１５ｂの磁化状態の電気抵抗は、図１５ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなるため、両電極間の電気抵抗を測定することによって、容易に素子の内部磁化の状態を検知することができる。
また、磁化状態を連続的に検出することにより、流れた電流を検出すること、また、電気抵抗の変化を段階的に区分することにより、多値記録を行うことも第１の実施の形態で説明した方法に準じて実現できる。
【００６６】
図１４の構成は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、反強磁性結合を強磁性結合とすることもできる。以下、より具体的に説明する。
図１６は第３の実施の形態の他の構成例を説明するための断面模式図で、基板６０の上に磁壁移動層６２が形成され、磁壁移動層６２の一方の端部の上に第１磁性層グループ１００、第１電極６５がこの順に形成され、磁壁移動層６２の他の端部の上には第２磁性層グループ１０１、第２電極７１がこの順に形成されいる。第１磁性層グループ１００は、第１交換結合制御層６３と第１非磁性金属層６６が隣接して形成され、両者の上に第１強磁性層６４が形成されている。第２磁性層グループ１０１は、第３非磁性金属層８７と第３交換結合制御層９０が隣接して形成され、両者の上に第３強磁性層８８が形成されいる。
【００６７】
図１７は、図１６の構成の素子の動作原理を説明するための図で、各磁性層について、その磁化の向きを矢印で示している。磁壁移動層６２は磁壁７３により、第１電極側の磁壁移動層６２ａと第２電極側の磁壁移動層６２ｂに分割されている。
基板６０、第１電極６５、第１強磁性層６４、第１交換結合制御層６３、第１非磁性金属層６６、第２電極７１は前述した図１４の素子と同様に構成する。
磁壁移動層６２は、第２電極側の磁壁移動層６２ｂの制御方法が図１４の素子と異なるが、材料、膜厚、磁気特性は図１４の素子と同様に構成する。
第３交換結合制御層９０および第３強磁性層８８は、第３強磁性層８８と第２電極側の磁壁移動層６２ｂとの間に強磁性結合を形成して、第２電極側の磁壁移動層６２ｂの磁化の向きを第３強磁性層８８と同じ向きに固定するためのものである。
【００６８】
第３交換結合制御層９０は、磁壁移動層６２と第３強磁性層８８を所定の間隙で離間し、第２電極側の磁壁移動層６２ｂと第３強磁性層８８との間の交換結合定数を制御するための非磁性層で、その材料は第１交換結合制御層６３と同様に設定され、その膜厚は第２電極側の磁壁移動層６２ｂと第３強磁性層８８が強磁性結合を行うように設定される。
第３非磁性金属層８７は、第３強磁性層８８と磁壁移動層６２の間で導電性を確保するとともに、第３強磁性層８８と磁壁移動層６２の間の磁気的な結合を断つためのものである。磁気的な結合を断つことの意味は前述の通りである。第３非磁性金属層８７の材料は、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｒｕ、およびこれらの合金等が好ましい。その厚みは第３交換結合制御層９０と合わせることが好ましい。
第３交換結合制御層９０と第３非磁性金属層８７との面積の比率は、素子全体の所望の大きさ、電気抵抗値により適宜設定されるが、０．１：１から１：０．１が好ましく、特に０．５：１から１：０．５が好ましい。第３非磁性金属８７の配置は、その動作原理を考慮して第３交換結合制御層９０よりも第１磁性層グループに近く設定する。
【００６９】
第３強磁性層８８は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、例えば、Ｃｏ合金、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＣｒ合金等が使用できる。素子の動作中は、第３強磁性層８８の磁化は一方向に固定していることが好ましい。このため、高い保磁力と厚い膜厚を有することが好ましく、保磁力は２０００から４０００Ｏｅ、厚みは５０ｎｍから２００ｎｍが好ましい。
第３交換結合制御層９０と第３非磁性金属層８７を合わせた面積、第３強磁性層８８の面積は第２電極７１の面積と同等とすることが好ましい。
基板６０上の各層は周知の成膜方法で形成することが可能であり、例えば、スパッター法、ＣＶＤ法、蒸着法等を使用できる。
動作原理は図１４の素子と同様である。書き込みの場合は、第１電極６５と第２電極７１の間に印加する電流の向きにより、磁壁７３の位置が図１７ａ、１７ｂ等の位置に移動することに基づいて行う。第１電極６５から第２電極７１に向けて充分に電流を流した場合は、図１７ａの磁化状態となり、第２電極側の磁壁移動層６２ｂが第１強磁性層６４の下に延伸する。逆に、第２電極７１から第１電極６５に向けて充分に電流を流した場合は、図１７ｂの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層６２ａが第３強磁性層８８の下に延伸する。
【００７０】
読み込みの場合は、素子の電気抵抗が、厚い磁性層同士の磁化が反平行な状態にあるか、あるいは平行な状態にあるかによって大きく変わり、厚い磁性層同士の間にある薄い磁性層の磁化からの影響は小さいことに基づいて行う。図１７ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第１強磁性層６４、第２電極側の磁壁移動層６２ｂおよび第３強磁性層８８がすべて同じ向きに向いている。一方、図１７ｂの磁化状態では、厚い磁性層である第１強磁性層６４、第１電極側の磁壁移動層６２ａおよび第３強磁性層８８は隣接する磁性層同士の磁化が逆の向きとなっている。従って、図１７ｂの磁化状態の電気抵抗は、図１７ａの磁化状態の電気抵抗よりも大きくなる。
第３の実施形態のさらに別の構成例としては、上述した各構成において、第１電極６５から第２電極７１までの各層の順序をまったく正反対にしたものも使用可能であることはいうまでもない。
【００７１】
以下、本発明の実施例に付き、より詳細に説明する。
【実施例１】
【００７２】
本実施例は、図１の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板４として厚さ５００μｍの石英を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｃｕからなる第１電極５を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層６を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層７を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層８を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる中間交換結合制御層９を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＨｆＴａからなる中間強磁性層１０を厚さ１５ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第２交換結合制御層１１を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第２強磁性層１２を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極２を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成し、最後にＡｌからなるビット線１を形成して実施例１とした。
【００７３】
この素子を用いて、次の手順で評価を行った。初めに、５０００Ｏｅの磁界を印加して図２ａの状態に初期化した。続いて、手順１として第２電極から第１電極に向けて１０ｍＡ（電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２）の駆動電流を流して図２ｂの状態とし、この時の第１電極５と第２電極２の間の電気抵抗を検出電流３００μＡにて測定した。次に、手順２として第１電極から第２電極に向けて１０ｍＡ（電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２）の駆動電流を流して図２ａの状態とし、この時の第１電極５と第２電極２の間の電気抵抗を検出電流３００μＡにて測定した。電流の向きを交互に逆転して手順１と手順２をそれぞれ１０回行い、各電気抵抗値の平均を得た。図２ａの状態の電気抵抗値の平均は１．４Ωであり、図２ｂの状態の電気抵抗値の平均は１．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例２】
【００７４】
本実施例は、図３の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板４として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｃｕからなる第１電極５を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層６を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層７を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層８を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第３交換結合制御層１２１を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第３強磁性層１２２を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極２を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成し、最後にＡｌからなるビット線１を形成して実施例２とした。
【００７５】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図４ａの状態の電気抵抗値の平均は３．２Ωであり、図４ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例３】
【００７６】
本実施例は、図５の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板４として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｃｕからなる第１電極５を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔからなる第１強磁性層６を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる交換結合制御層７を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層８を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第４強磁性層１４２を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極２を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成し、最後にビット線１を形成して実施例３とした。
【００７７】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図６ａの状態の電気抵抗値の平均は３．２Ωであり、図６ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例４】
【００７８】
本実施例は、図７の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板２０として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層２２を厚さ１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層２３を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層２４を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第１電極２５を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる中間交換結合制御層２６を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＨｆＴａからなる中間強磁性層２７を厚さ１５ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第２交換結合制御層２８を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第２強磁性層２９を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極３０を厚さ２００ｎｍ、面積５００ｎｍ×５００ｎｍにて形成して実施例４とした。
【００７９】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図８ａの状態の電気抵抗値の平均は３．２Ωであり、図８ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例５】
【００８０】
本実施例は、図１０の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板２０として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層２２を厚さ１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層２３を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層２４を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第１電極２５を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第３交換結合制御層４８を厚さ１．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第３強磁性層４９を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極３０を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ似て形成し、実施例５とした。
【００８１】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図１１ａの状態の電気抵抗値の平均は３．２Ωであり、図１１ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例６】
【００８２】
本実施例は、図１２の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板２０として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層２２を厚さ１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層２３を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層２４を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第１電極２５を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ似て形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第４強磁性層１０９を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極３０を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、実施例６とした。
【００８３】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図１３ａの状態の電気抵抗値の平均は３．２Ωであり、図１３ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例７】
【００８４】
本実施例は、図１４の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板６０として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層６２を厚さ１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層６３を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｃｕからなる第１非磁性金属層６６を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層６４を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第１電極６５を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｃｕからなる中間非磁性金属層６７を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる中間交換結合制御層７２を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＨｆＴａからなる中間強磁性層６８を厚さ１５ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第２交換結合制御層６９を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第２強磁性層７０を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極７１を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍにて形成して実施例７とした。
【００８５】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図１５ａの状態の電気抵抗値の平均は３．４Ωであり、図１５ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【実施例８】
【００８６】
本実施例は、図１６の構成の素子を製作し、動作させたものである。
基板６０として、厚さ５００ｎｍの酸化膜を形成した厚さ５００μｍのシリコン基板を用い、スパッター法を用いて基板上に以下の各層を形成した。Ｎｉ８０Ｆｅ２０からなる磁壁移動層６２を厚さ１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第１交換結合制御層６３を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｃｕからなる第１非磁性金属層６６を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第１強磁性層６４を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第１電極６５を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｃｕからなる第３非磁性金属層８７を厚さ１．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第３交換結合制御層９０を厚さ１．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、ＣｏＰｔ合金からなる第３強磁性層８８を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍ、保磁力２５００Ｏｅにて形成し、引き続き、Ａｕからなる第２電極７１を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×２００ｎｍにて形成して実施例８とした。
【００８７】
この素子を用いて、実施例１と同様にして評価を行った。初期化の磁界は５０００Ｏｅ、駆動電流は電流密度で１×１０８Ａ／ｃｍ２、検出電流は３００μＡにて各１０回測定した。図１７ａの状態の電気抵抗値の平均は３．２Ωであり、図１７ｂの状態の電気抵抗値の平均は３．６Ωであった。それぞれ安定した測定値が得られており、メモリー動作が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】本発明のスピン注入磁区移動素子の第１の実施の形態の基本構成例を説明するための断面模式図である。
【図２】図１の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図３】本発明のスピン注入磁区移動素子の第１の実施の形態の他の構成例を説明するための断面模式図である。
【図４】図３の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図５】本発明のスピン注入磁区移動素子の第１の実施の形態のさらに他の構成例を説明するための断面模式図である。
【図６】図５の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図７】本発明のスピン注入磁区移動素子の第２の実施の形態の基本構成例を説明するための断面模式図である。
【図８】図７の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図９】本発明のスピン注入磁区移動素子の第２、第３の実施の形態の素子を複数連結する方法を説明するための模式図である。
【図１０】本発明のスピン注入磁区移動素子の第２の実施の形態の他の構成例を説明するための断面模式図である。
【図１１】図１０の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図１２】本発明のスピン注入磁区移動素子の第２の実施の形態のさらに他の構成例を説明するための断面模式図である。
【図１３】図１２の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図１４】本発明のスピン注入磁区移動素子の第３の実施の形態の基本構成例を説明するための断面模式図である。
【図１５】図１４の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図１６】本発明のスピン注入磁区移動素子の第３の実施の形態の他の構成例を説明するための断面模式図である。
【図１７】図１６の構成例の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図１８】従来技術のＧＭＲ素子の構成例を説明するための断面模式図である。
【図１９】図１８の素子の動作原理を説明するための断面模式図である。
【図２０】図１８の素子を複数連結する方法を説明するための模式図である。
【図２１】従来技術の磁壁移動素子を説明するための断面模式図である。
【図２２】磁壁が移動する原理を説明するための断面模式図である
【符号の説明】
【００８９】
１  ビット線
２、３０、７１  第２電極
４、２０、６０  基板
５、２５、６５  第１電極
６、２４、６４  第１強磁性層
７、２３、６３  第１交換結合制御層
８、２２、６２  磁壁移動層
９、２６、７２  中間交換結合制御層
１０、２７、６８  中間強磁性層
１１、２８、６９  第２交換結合制御層
１２、２９、７０  第２強磁性層
１３、３３、７３  磁壁
６６  第１非磁性金属層
６７  中間非磁性金属層
８７  第３非磁性金属層
１００  第１磁性層グループ
１０１  第２磁性層グループ
４８、８８、１２１  第３交換結合制御層
４９、９０、１２２  第３強磁性層
１０９、１４２  第４強磁性層
３１、２０７  ビット線
３２、２０８  ワード線
２０９  記録セル
２００、２２０  基板
２０１、２２２  第１電極
２０３  第１強磁性層
２０４  非磁性金属層
２０５  第２強磁性層
２０６、２２３  第２電極
２２１  強磁性層
２２４  磁壁
【図１】
2006287081.tif 000003
【図２】
2006287081.tif 000004
【図３】
2006287081.tif 000005
【図４】
2006287081.tif 000006
【図５】
2006287081.tif 000007
【図６】
2006287081.tif 000008
【図７】
2006287081.tif 000009
【図８】
2006287081.tif 000010
【図９】
2006287081.tif 000011
【図１０】
2006287081.tif 000012
【図１１】
2006287081.tif 000013
【図１２】
2006287081.tif 000014
【図１３】
2006287081.tif 000015
【図１４】
2006287081.tif 000016
【図１５】
2006287081.tif 000017
【図１６】
2006287081.tif 000018
【図１７】
2006287081.tif 000019
【図１８】
2006287081.tif 000020
【図１９】
2006287081.tif 000021
【図２０】
2006287081.tif 000022
【図２１】
2006287081.tif 000023
【図２２】
2006287081.tif 000024