(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】  磁壁を有する磁壁移動層、それぞれ強磁性層を有する第１磁性層グループ、第２磁性層グループおよび第３磁性層グループを備え、各磁性層グループが磁壁移動層の同一面上にこの順に配置され、第１磁性層グループと第３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し、第２磁性層グループと第３磁性層グループとの間、または第２磁性層グループと第１磁性層グループとの間の電気抵抗により前記磁壁移動層の磁壁の位置を検出することを特徴とする。  磁壁移動層と第１磁性層グループとの間の反強磁性結合を有し、磁壁移動層と第３磁性層グループとの間の反強磁性結合もしくは強磁性結合を有することが好ましい。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁壁を有する磁壁移動層、強磁性層を有する第１磁性層グループ、強磁性層を有する第２磁性層グループおよび強磁性層を有する第３磁性層グループを備え、
該第１磁性層グループ、該第２磁性層グループおよび該第３磁性層グループが該磁壁移動層の同一面上に、この順に配置され、
該第１磁性層グループと該第３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し、
該第２磁性層グループと該第３磁性層グループとの間、または該第２磁性層グループと該第１磁性層グループとの間の電気抵抗により前記磁壁移動層の磁壁の位置を検出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磁性層グループの一部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３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３磁性層グループの一部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２に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項４】
前記第２磁性層グループは第２非磁性金属層と第２強磁性層が積層されてなり、該第２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２または３に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項５】
前記第３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３交換結合制御層および第３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４のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項６】
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５に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項７】
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磁性層グループの一部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３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３磁性層グループの一部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８】
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７に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項９】
前記第２磁性層グループは第２非磁性金属層と第２強磁性層が積層されてなり、該第２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７または８に記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１０】
前記第３磁性層グループは非磁性の第４交換結合制御層および第４強磁性層が積層されてなり、
、該第４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７ないし９のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１１】
前記第３磁性層グループは第５強磁性層からなることを特徴とする請求項７ないし９のいずれかに記載のスピン注入磁区移動素子。
【請求項１２】
請求項１ないし１１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磁性層グループをワード線若しくはビット線に接続し、第３磁性層グループをビット線若しくはワード線に接続し、第２磁性層グループをデータ読出し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１３】
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１２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１０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１００上に下部電極１０１、Ｃｏ等からなる下部強磁性層１０３（厚さ〜４０ｎｍ、直径〜１００ｎｍ）、非磁性金属層１０４（厚さ〜６ｎｍ、直径〜１００ｎｍ）、Ｃｏ等からなる上部強磁性層１０５（厚さ〜２．５ｎｍ、直径〜１００ｎｍ）、上部電極１０６が順次形成されている。このようなＧＭＲ構造素子は、上部電極側からのスピン電流注入、即ち、下部電極側からのスピン分極した電子の注入によって上部強磁性層１０５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、下部強磁性層１０３、上部強磁性層１０５の磁化状態を同一方向に揃える。図１１ａ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、電流を下部電極側から上部電極の向きに流すと、電子は上部電極から上部強磁性層１０５に注入される。上部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、伝導電子のスピンは上部強磁性層１０５の磁化の向きに平行なスピンが多数を占めるように分極する。これをスピンの偏極と呼んでいる。しかし、今考えている積層膜の上部強磁性層１０５は薄いために、分極はわずかなものにとどまる。このわずかに分極したスピンの伝導電子が非磁性金属層１０４を通過して下部強磁性層１０３の表面に到達すると、下部強磁性層１０３の磁化の向きに平行なスピンを持つ電子は強磁性層１０３に注入されるが、下部強磁性層１０３の磁化と反対のスピンを持つ電子は反射され、再び強磁性層１０５に注入される。下部強磁性層１０３は厚いため、自分の持つ磁化に平行なスピンを優先して通過させるスピンフィルタとしての働きをする。この結果、上部強磁性層１０５中の多数キャリアは下部強磁性層１０３の磁化と反対向きのスピンを持つ電子となり、この電子によって、上部強磁性層１０５は磁化を反転させる向きのトルクを受ける。電流がある臨界電流を超えると、上部強磁性層１０５の磁化はトルクによって回転し、上部強磁性層１０５と下部強磁性層１０３の磁化はＰ状態から反平行状態（ＡＰ状態）に変化する。
【０００３】
次にＡＰ状態にある素子に上部電極から下部電極に向けて電流を流す場合を説明する。この場合は、電子は下部電極から下部強磁性層１０３に注入される。下部電極中の電子スピンの状態も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。ここで下部強磁性層１０３は厚いために、伝導電子のスピンは下部強磁性層１０３の磁化に平行なスピンが大多数を占めるように分極する。この大きくスピン偏極した伝導電子が非磁性金属層１０４を通過して上部強磁性層１０５の表面に到達すると、上部強磁性層１０５の磁化の向きに反平行なスピンを持つ大多数の電子は上部強磁性層１０５に注入される。この結果、上部強磁性層１０５の磁化は下部強磁性層１０３の磁化と平行なスピンを持つ電子によって磁化を反転させる向きのトルクを受ける。電流がある臨界電流を超えると、上部強磁性層１０５の磁化はトルクによって回転し、上部強磁性層１０５と下部強磁性層１０３の磁化はＡＰ状態からＰ状態に戻る。
【０００４】
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み出しヘッドが作製されている。図１２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１２のような構成を用いれば、横に走るワード線１０８の組と縦に走るビット線１０７の組によって、記録セル１０９へのビット情報の書き込み（磁化の反転）と読み出し（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。
図１３、１４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１３は構成を表すもので、絶縁基板１２０上に強磁性層１２１（厚さ〜１０ｎｍ、長さ〜数ｕｍ）を形成し、上部に左電極１２２、右電極１２３を形成している。強磁性層１２１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１４は、左電極１２２、右電極１２３間に電流を流す場合の磁壁１２４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。
【０００５】
はじめに、図１４ａに示すように、２つの電極に挟まれた強磁性層１２１の領域に１つの磁壁１２４が存在し、磁壁１２４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、右電極１２３から左電極１２２の向きに電流を流す場合は、磁壁１２４を電流が横切ることになる。このとき電子は左電極１２２から強磁性層１２１に注入され右電極１２３に流れ込むことになる。強磁性層１２１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１２１の磁壁１２４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１２４を通過して強磁性層１２１の磁壁１２４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１２４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１２４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１２４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。Ｓｌを正の向きと考えると、磁壁１２４の左から右に移動する過程で電子スピンの磁化ＳｌはＳｒ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（即ち、２Ｓｌだけ減少する）。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）は保存されるから、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（即ち、２Ｓｒだけ減少する）。すなわち、電子が磁壁１２４を左から右に横切ることによって、磁壁１２４の磁化は正の向き（即ち、Ｍｌの方向）に増加していくことになる。即ち、磁壁１２４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１４ａと図１４ｂは、電流を右電極１２３から流す前の磁壁１２４の位置と、電流を右電極１２３から流した後の磁壁１２４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１２４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】
【０００６】
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１２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１０９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１３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。
【０００７】
さらに、図１３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１３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１２１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。
【０００８】
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】
【０００９】
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、強磁性層を有する第１磁性層グループ、強磁性層を有する第２磁性層グループおよび強磁性層を有する第３磁性層グループを備え、該第１磁性層グループ、該第２磁性層グループおよび該第３磁性層グループが該磁壁移動層の同一面上にこの順に配置され、該第１磁性層グループと該第３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し、該第２磁性層グループと該第３磁性層グループとの間、または該第２磁性層グループと該第１磁性層グループとの間の電気抵抗により前記磁壁移動層の磁壁の位置を検出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磁性層グループの一部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３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３磁性層グループの一部と反強磁性結合もしくは強磁性結合をしていることが好ましい。
【００１０】
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が好ましい。
前記第２磁性層グループは第２非磁性金属層と第２強磁性層が積層されてなり、該第２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。
前記第３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３交換結合制御層および第３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３磁性層グループは非磁性の第４交換結合制御層および第４強磁性層が積層されてなり、該第４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３磁性層グループは第５強磁性層からなることが好ましい。
【００１１】
前記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。
また、上述した複数のスピン注入磁区移動素子を、第１磁性層グループをワード線若しくはビット線に接続し、第３磁性層グループをビット線若しくはワード線に接続し、第２磁性層グループをデータ読み出し線に接続して連結することにより、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、読み出しを行う場合は、電気抵抗の差異を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
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】
【００１３】
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もので、スピン注入磁区移動素子１の断面模式図である。基板１０の上に磁壁移動層１２が形成され、磁壁移動層１２の一方の端部の上に第１磁性層グループ５０、第１電極１５がこの順に形成され、磁壁移動層１２の他の端部の上には第３磁性層グループ５２、第３電極２３がこの順に形成され、第１磁性層グループ５０と第３磁性層グループ５２の間の位置に第２磁性層グループ５１、第２電極１８がこの順に形成されている。第１磁性層グループ５０は第１交換結合制御層１３、第１強磁性層１４がこの順に形成され、第２磁性層グループ５１は第２非磁性金属層１６、第２強磁性層１７がこの順に形成され、第３磁性層グループ５２は中間交換結合制御層１９、中間強磁性層２０、第３交換結合制御層２１および第３強磁性層２２がこの順に形成されている。
【００１４】
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模式図で、スピン注入磁区移動素子１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１２は磁壁２４により、第１電極側の磁壁移動層１２ａと第３電極側の磁壁移動層１２ｂに分割されている。
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１０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。
【００１５】
第１電極１５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２０ｎｍ×２０ｎｍ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磁性層グループ５０は、磁壁移動層１２の一部で第１電極側の磁壁移動層１２ａ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１２ａの磁化を第１強磁性層１４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１４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、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒ合金、ＣｏＰｔＣｒ合金、ＣｏＰｔＣｒＢ合金、ＣｏＰｔＣｒＴａＢ合金、ＣｏＰｔ人工格子膜（規則合金）、ＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ２グラニュラー材料等が使用できる。素子の動作中は、第１強磁性層１４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。
【００１６】
第１交換結合制御層１３は、第１強磁性層１４と磁壁移動層１２を所定の間隙で離間し、第１強磁性層１４と第１電極側の磁壁移動層１２ａ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１３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１４と第１電極側の磁壁移動層１２ａが反強磁性結合を行うように第１交換結合制御層１３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１４がＣｏＰｔ合金、第１交換結合制御層１３がＲｕ、磁壁移動層１２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。
【００１７】
磁壁移動層１２は層内に形成する磁壁２４の位置により、スピン注入磁区移動素子１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、ＦｅＣｏＮ合金、ＦｅＡｌＮ合金、ＣｏＣｒＦｅＡｌ合金、Ｆｅ、ＦｅＰｔ合金、ＮｉＭｎＳｂ合金、ＣｏＭｎ系合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、Ｓｒ２ＦｅＭｏＯ６、Ｆｅ２Ｏ３、ＣｏＨｆＴａ合金等である。特に好ましくは、パーマロイ、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＧｅである。その膜厚は、２０ｎｍから５００ｎｍが好ましい。第１強磁性層１４の磁化の向きにより第１電極側の磁壁移動層１２ａの磁化の向きが容易に制御され、あるいは第３強磁性層２２の磁化の向きにより第３電極側の磁壁移動層１２ｂ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１２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５０、第２磁性層グループ５１と第３磁性層グループ５２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３００ｎｍ、長さ６０ｎｍから１０００ｎｍの長方形状が好ましい。
【００１８】
第３磁性層グループ５２は、第３強磁性層２２と中間強磁性層２０との間、および中間強磁性層２０と第３電極側の磁壁移動層１２ｂとの間に反強磁性結合を形成して、第３電極側の磁壁移動層１２ｂの磁化の向きを第３強磁性層２２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２０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１９は、中間強磁性層２０と磁壁移動層１２を所定の間隙で離間し、中間強磁性層２０と第３電極側の磁壁移動層１２ｂ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１３と同様に設定される。
中間強磁性層２０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１９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２０を通過して第３交換結合制御層２１に注入される。中間強磁性層２０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３強磁性層２２の磁化により、中間強磁性層２０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２０の材料は第３強磁性層２２と比べて保磁力の小さな材料とすることが好ましく、Ｎｉ４５Ｆｅ５５、Ｎｉ８１Ｆｅ１９等のパーマロイ、ＣｏＨｆＴａ合金、ＣｏＺｒＮｂ合金、ＣｏＦｅ合金、ＦｅＣｏＮ合金、ＦｅＡｌＮ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。
【００１９】
第３交換結合制御層２１は、中間強磁性層２０と第３強磁性層２２を所定の間隙で離間し、中間強磁性層２０と第３強磁性層２２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１３と同様に設定される。
第３強磁性層２２は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、第１強磁性層１４と同様の材料が使用できる。素子の動作中は、第３強磁性層２２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電極２３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２０ｎｍ×２０ｎｍ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。
【００２０】
第２磁性層グループ５１は、磁壁移動層の磁化の向きを検出することにより、記録を読み出すためのものである。
第２非磁性金属層１６は、第２強磁性層１７と磁壁移動層１２の間で導電性を確保するとともに、第２強磁性層１７と磁壁移動層１２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１２の内、第２非磁性金属層１６を挟んで第２強磁性層１７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２強磁性層１７の磁化の向きが右向きの場合に、磁壁移動層１２の内で第２非磁性金属層１６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２非磁性金属層１６の材料は、Ｃｕ、Ｃｒ若しくはＶ、あるいはこれらの合金、またはＡｌの酸化物等が好ましい。複数の非磁性金属膜を積層することもできる。
【００２１】
第２強磁性層１７は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、第１強磁性層１４と同様の材料が使用できる。素子の動作中は、第３強磁性層２２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１８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２０ｎｍ×２０ｎｍ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。
第１強磁性層１４と第１交換結合制御層１３の面積は第１電極１５の面積と同等とすることが好ましく、第２強磁性層１７と第２非磁性金属層１６の面積は第２電極１８の面積と同等とすることが好ましく、また中間交換結合制御層１９から第３強磁性層２２までの各層の面積は、第３電極２３の面積と同等とすることが好ましい。
【００２２】
基板１０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。
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。
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た場合の例である。第１強磁性層１４、第２強磁性層１７、第３強磁性層２２の磁化をすべて左向きにした状態を示している。
第１強磁性層１４と第１電極側の磁壁移動層１２ａは反強磁性結合をしており、かつ、第１強磁性層１４の保磁力が磁壁移動層１２の保磁力よりも高いことから、第１電極側の磁壁移動層１２ａには第１強磁性層１４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３強磁性層２２と中間強磁性層２０とは反強磁性結合をしており、かつ第３強磁性層２２の保磁力が中間強磁性層２０の保磁力よりも高いことから、中間強磁性層２０には第３強磁性層２２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２０と第３電極側の磁壁移動層１２ｂとは反強磁性結合をしていることから第３電極側の磁壁移動層１２ｂには中間強磁性層２０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１２ａと１２ｂ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１２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１３、１４で説明した原理にしたがって第１電極から第３電極に向けて電流を流すことにより、図２ａの磁壁２４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１２ａには、第１強磁性層１４との反強磁性結合によって、第１強磁性層１４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３電極に向けて電流を流し続けた場合でも磁壁移動層１２には安定な磁壁を１つ形成することができる。なお、前述したように、磁壁移動層１２の磁化の向きは、第２強磁性層１７の磁化の向きにより制約されることはない。
【００２３】
図２ａの状態の素子に、第３電極から第１電極に向けて電流を流し続けると、磁壁２４は電流の向きと反対に移動する。図２ｂは、磁壁２４が第３磁性層グループ５２の左端に達した時点で電流を止めた場合である。中間強磁性層２０と第３電極側の磁壁移動層１２ｂは反強磁性結合をしているため、第３電極側の磁壁移動層１２ｂには必ず中間強磁性層２０の磁化と反対の磁化が誘起されるため、磁壁移動層１２には安定な磁壁が１つ形成され消失することはない。なお、磁壁移動層１２の膜厚が厚い場合には、所望により、さらに電流を流すことにより、磁壁をさらに移動して図３ｂの位置とすることもできる。即ち、第３電極側の磁壁移動層１２ｂを第３磁性層グループ近傍に局在化させ、そ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。
【００２４】
図２ｂの状態の素子に第１電極から第３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、所望により、さらに電流を流して、磁壁を図３ａの位置とすることもできる。即ち、第１電極側の磁壁移動層１２ａを第１磁性層グループ近傍に局在化させ、そ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。
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１２の磁壁２４の位置を、両端部に自由に位置させることができる。なお、図２と図３の磁壁の位置を比較した場合、磁壁移動に必要な電流量は図２の方が小さくすることができる。
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。
【００２５】
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３電極２３から第２電極１８の方向に流した場合（即ち、電子が第２電極１８から第３電極２３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。
図３ａでは電子は次の経路を流れる。
＜電子経路１＞：第２電極１８−左向きの磁化状態の厚い第２強磁性層１７−非磁性の第２非磁性金属層１６−左向きの磁化状態が誘起された厚い磁壁移動層１２ｂ−非磁性の中間交換結合制御層１９−右向きの磁化状態の薄い中間強磁性層２０−非磁性の第３交換結合制御層２１−左向きの磁化状態の厚い第３強磁性層２２−第３電極２３
ここで、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。例えば膜厚で考える場合は、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。
【００２６】
図３ｂ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。
＜電子経路２＞：第２電極１８−左向きの磁化状態の厚い第２強磁性層１７−非磁性の第２非磁性金属層１６−右向きの磁化状態の厚い磁壁移動層１２ａ−左向きの磁化状態が誘起された薄い磁壁移動層１２ｂ−非磁性の中間交換結合制御層１９−右向きの磁化状態の薄い中間強磁性層２０−非磁性の第３交換結合制御層２１−左向きの磁化状態の厚い第３強磁性層２２−第３電極２３
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２強磁性層１７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１２ａ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１２ａ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１２ａ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１２ｂ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１２ｂに注入されたアップスピンの電子は、磁壁移動層１２ｂ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２０に到達する。この結果、中間強磁性層２０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２０を通過して、厚い第３強磁性層２２の界面で大きく反射・散乱されることになる。
【００２７】
一方、  電子経路１では、ｓ−ｄ相互作用によって第２強磁性層１７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、同じ磁化の方向を持つ磁壁移動層１２ｂに注入されるため、界面で大きな散乱または反射は受けない。さらに、ダウンスピンを保持したまま磁壁移動層１２ｂを通過して、磁化の向きの異なる中間強磁性層２０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２０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３強磁性層２２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。
【００２８】
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２強磁性層１７−左向きの磁化状態の厚い磁壁移動層１２ｂ−左向きの磁化状態の厚い第３強磁性層２２
＜電子経路２＞：左向きの磁化状態の厚い第２強磁性層１７−右向きの磁化状態の厚い磁壁移動層１２ａ−左向きの磁化状態の第３強磁性層２２
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２強磁性層１７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１２ａに注入される。さらに磁壁移動層１２ａ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３強磁性層２２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２強磁性層１７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１２ｂ、第３強磁性層２２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。
【００２９】
上述の例は、第２電極と第３電極を用いる例について説明したが、第１電極と第２電極を用いる場合も同様に動作させることができる。
また、第１電極１５と第２電極１８の間の電気抵抗は図２ａと図３ａで異なっており、図２ａの電気抵抗は図３ａより大きい。これを第２電極１８と第３電極２３間の電気抵抗と組み合わせることにより、多値記録を行うことが可能である。
また、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、図４のスピン注入磁区移動素子２は、交換結合制御層の部分を、交換結合制御層と非磁性金属層にて構成した例である。図１の第１交換結合制御層１３に対応する部分は、図４で第１交換結合制御層１３と第１非磁性金属層２５にて構成されており、第１強磁性層１４は第１交換結合制御層１３を介して磁壁移動層１２ａと反強磁性結合を行っている。第１非磁性金属層２５は第１強磁性層１４と磁壁移動層１２の導電性を確保するとともに、両者の間の磁気的な結合を断っている。また、図１の中間交換結合制御層１９に対応する部分は、図４で中間交換結合制御層１９と中間非磁性金属層２６にて構成されており、中間強磁性層２０との関係は第１強磁性層１４の場合と同様である。このようにすることで、各強磁性層と磁壁移動層１２の導電性が各非磁性金属層により確保され、また、磁壁２４は各磁性層グループの下まで移動可能となる。図４は磁壁２４が第１磁性層グループ５０の下まで延伸している例を示している。この結果、磁壁位置の選択肢を拡大することができる。
【００３０】
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１２の磁壁２４の位置に応じて第１電極から第３電極までの電気抵抗が連続的に変化する。磁壁２４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。
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、第３磁性層グループ５２と磁壁移動層１２の間に、強磁性結合を設けるものである。以下、具体的に説明する。
【００３１】
図５は本発明の第２の実施の形態を説明するためのもので、スピン注入磁区移動素子３の断面模式図である。基板１０の上に磁壁移動層１２が形成され、磁壁移動層１２の一方の端部の上に第１磁性層グループ５０、第１電極１５がこの順に形成され、磁壁移動層１２の他の端部の上には第３磁性層グループ５２、第３電極２３がこの順に形成され、第１磁性層グループ５０と第３磁性層グループ５２の間の位置に第２磁性層グループ５１、第２電極１８がこの順に形成されている。第１磁性層グループ５０は第１交換結合制御層１３、第１強磁性層１４がこの順に形成され、第２磁性層グループ５１は第２非磁性金属層１６、第２強磁性層１７がこの順に形成され、第３磁性層グループ５２は第４交換結合制御層３１および第４強磁性層３２がこの順に形成されている。
図６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５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１２は磁壁２４により、第１電極側の磁壁移動層１２ａと第３電極側の磁壁移動層１２ｂに分割されている。
【００３２】
図５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１０、第１電極１５、第１強磁性層１４、第１交換結合制御層１３、第２電極１８、第２強磁性層１７、第２非磁性金属層１６、第３電極２３は前述したスピン注入磁区移動素子１と同様に構成する。
磁壁移動層１２は、第３電極側の磁壁移動層１２ｂの制御方法がスピン注入磁区移動素子１と異なるが、材料、膜厚、磁気特性はスピン注入磁区移動素子１と同様に構成する。
第４交換結合制御層３１および第４強磁性層３２は、第４強磁性層３２と第３電極側の磁壁移動層１２ｂとの間に強磁性結合を形成して、第３電極側の磁壁移動層１２ｂの磁化の向きを第４強磁性層３２と同じ向きに固定するためのものである。
【００３３】
第４交換結合制御層３１は、磁壁移動層１２と第４強磁性層３２を所定の間隙で離間し、第３電極側の磁壁移動層１２ｂと第４強磁性層３２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１３と同様に設定され、その膜厚は第３電極側の磁壁移動層１２ｂと第４強磁性層３２とが強磁性結合を行うように設定される。
第４強磁性層３２は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、第１強磁性層１４と同様の材料が使用できる。素子の動作中は、第４強磁性層３２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４交換結合制御層３１と第４強磁性層３２の面積は、第３電極と同等とすることが好ましい。
【００３４】
基板１０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。
動作原理はスピン注入磁区移動素子１と同様である。書き込みの場合は、第１電極１５と第３電極２３の間に印加する電流の向きにより、磁壁２４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１５から第３電極２３に向けて充分に電流を流した場合は、図５ａの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層１２ａ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３電極２３から第１電極１５に向けて充分に電流を流した場合は、図５ｂの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層１２ｂ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。磁壁２４の位置は図２に相当する位置で制御しても良い。
【００３５】
読み出しの場合は、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。第２電極１８と第３電極２３の間の電気抵抗で読み出す場合を例にとれば、図６ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第２強磁性層１７、第３電極側の磁壁移動層１２ｂおよび第４強磁性層３２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２強磁性層１７、第１電極側の磁壁移動層１２ａおよび第４強磁性層３２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。
上述の例は、第２電極と第３電極を用いる例について説明したが、第１電極と第２電極を用いる場合も同様に動作させることができる。
【００３６】
また、第１の実施の形態と同様にして、多値記録を行うことが可能である。
図７は、第２の実施の形態の他の構成例を説明するためのもので、スピン注入磁区移動素子４の断面模式図である。第３磁性層グループ５２は第５強磁性層４２から構成されており、第３磁性層グループ５２を除いた他の各層はスピン注入磁区移動素子３と同様に構成する。
図８は、図７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１２は磁壁２４により、第１電極側の磁壁移動層１２ａと第２電極側の磁壁移動層１２ｂに分割されている。
第５強磁性層４２と磁壁移動層１２は直説接しており、第５強磁性層４２と第３電極側の磁壁移動層１２ｂとの間に強磁性結合が形成され、第３電極側の磁壁移動層１２ｂの磁化の向きは第５強磁性層４２と同じ向きに固定される。
【００３７】
第５強磁性層４２は、強磁性を有する材料の内から適宜選択可能であり、第１強磁性層１４と同様の材料を使用できる。素子の動作中は、第５強磁性層４２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５強磁性層４２の面積は第３電極２３の面積と同等とすることが好ましい。
基板１０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。
動作原理はスピン注入磁区移動素子３と同様である。書き込みの場合は、第１電極１５と第３電極２３の間に印加する電流の向きにより、磁壁２４の位置が図８ａ、８ｂ等の位置に移動することに基づいて行う。第１電極１５から第３電極２３に向けて充分に電流を流した場合は、図８ａの磁化状態となり、第１電極側の磁壁移動層１２ａ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３電極２３から第１電極１５に向けて充分に電流を流した場合は、図８ｂの磁化状態となり、第３電極側の磁壁移動層１２ｂ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。
【００３８】
読み出しの場合もスピン注入磁区移動素子３と同様である。第２電極１８と第３電極２３の間の電気抵抗を使用する場合を例に取れば、図８ａの磁化状態の場合は、厚い磁性層である第２強磁性層１７、第３電極側の磁壁移動層１２ｂおよび第５強磁性層４２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２強磁性層１７、第１電極側の磁壁移動層１２ａおよび第５強磁性層４２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。
（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態は、スピン注入磁区移動素子を複数連結して記憶装置を構成するものである。以下、具体的に説明する。
【００３９】
図９は、本発明の記憶装置の構成例を説明するための模式図で、複数のスピン注入磁区移動素子３がワード線８７、データ読み出し線８８およびビット線８９により連結されている。ワード線８７は各素子３の第１電極１５に連結され、データ読み出し線８８は各素子３の第２電極１８に連結され、ビット線８９は各素子３の第３電極２３に連結されている。図中の矢印は各磁性層の磁化の向きを表すもので、白抜きの矢印は磁壁移動層１２の磁化の向き、塗りつぶしの矢印は各電極の下部に配置された各強磁性層１４、１７、３２の磁化の向きを表している。また白抜きの矢印の間の太線は、磁壁移動層１２の磁壁２４の位置を表している。また状態０、１は電気抵抗がそれぞれ高い状態、低い状態を表している。
ワード線８７とビット線８９は各素子に記録を行うためのもので、各素子の第１電極１５と第３電極間２３に電流を流して磁壁２４を移動する。低い駆動電流を所望する場合は、磁壁２４の移動は、第１電極１５あるいは第３電極２３の端部近傍で停止することが好ましい。高い熱安定性を所望する場合は、磁壁２４はさらに移動して各磁性層グループの近傍に局在させる。また、前述した方法で多値記録を行う場合には、磁壁２４は各磁性層グループの近傍に局在させる。
【００４０】
読み出し線８８は、第２電極１８と第３電極２３の間、または第２電極１８と第１電極１５の間に検出電流を流し、電気抵抗を検出して各素子の磁化の状態、即ち記録されたデータを検出するためのものである。
図９は、紙面下部から上部に向かう向きの磁界を印加して初期化した状態で示したものである。さらに左下の素子に対して、第３電極から第１電極に向けて電流を流して記録した状態で示している。
以上のようにすることで、多数の素子を集積した記憶装置を構成することができる。
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】
【００４１】
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１０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１２を厚さ１００ｎｍ、幅２００ｎｍ、長さ１０００ｎｍ、保磁力５Ｏｅにて形成し、引き続き、磁壁移動層１２の一端の上に第１磁性層グループ５０を形成した。はじめに、Ｒｕからなる第１交換結合制御層１３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１４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１５を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成した。引き続き、磁壁移動層１２中央部の上に第２磁性層グループ５１を形成した。はじめに、Ｃｕからなる非磁性金属層１６を厚さ１ｎｍ、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１７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１８を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成した。引き続き、磁壁移動層１２の他端の上に第３磁性層グループ５２を形成した。はじめに、Ｒｕからなる中間交換結合制御層１９を厚さ０．８ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成し、引き続き、Ｎｉ４５Ｆｅ５５からなる中間強磁性層２０を厚さ１５ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍ、保磁力１０Ｏｅにて形成し、引き続き、Ｒｕからなる第２交換結合制御層２１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２２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３電極２３を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成して実施例１とした。
【００４２】
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３ａの状態に初期化した。続いて、手順１として第３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３ｂの状態とし、この時の第２電極１８と第３電極２３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３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３ａの状態とし、この時の第２電極１８と第３電極２３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３ａの状態の電気抵抗値の平均は１．４Ωであり、図３ｂ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】
【００４３】
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。
第３磁性層グループ５２を以下のように作製したこと以外は実施例１と同様にしてスピン注入磁区移動素子３を作製した。
磁壁移動層１２上にＲｕからなる第４交換結合制御層３１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４強磁性層３２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３電極２３を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成して実施例２とした。
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１．４Ωであり、図６ｂ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３】
【００４４】
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。
第３磁性層グループ５２を以下のように作製したこと以外は実施例１と同様にしてスピン注入磁区移動素子４を作製した。
磁壁移動層１２上にＣｏＰｔ合金からなる第５強磁性層４２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３電極２３を厚さ２００ｎｍ、面積１００ｎｍ×１００ｎｍにて形成して実施例２とした。
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１．４Ωであり、図８ｂ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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【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】図１の構成例の他の磁壁の状態を説明するための断面模式図である。
【図４】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５】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の実施の形態の他の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】本発明の第３の実施の形態であるスピン注入磁区移動装置の構成例を説明するための模式図である。
【図１０】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１１】図１０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１２】図１０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１３】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１４】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】
【００４６】
１、２、３、４  スピン注入磁区移動素子
１０  基板
１２  磁壁移動層
１２ａ  第１電極側の磁壁移動層
１２ｂ  第３電極側の磁壁移動層
１３  第１交換結合制御層
１４  第１強磁性層
１５  第１電極
１６  第２非磁性金属層
１７  第２強磁性層
１８  第２電極
１９  中間交換結合制御層
２０  中間強磁性層
２１  第３交換結合制御層
２２  第３強磁性層
２３  第３電極
２４  磁壁
２５  第１非磁性金属層
２６  中間交換結合制御層
３１  第４交換結合制御層
３２  第４強磁性層
４２  第５強磁性層
５０  第１磁性層グループ
５１  第２磁性層グループ
５２  第３磁性層グループ
８７、１０８  ワード線
８８  データ読み出し線
８９、１０７  ビット線
１００、１２０  基板
１０１  下部電極
１０２  ビット線
１０３  下部強磁性層
１０４  非磁性金属層
１０５  上部強磁性層
１０６  上部電極（ワード線）
１０９  記録セル
１２０  基板
１２１  強磁性層
１２２  左電極
１２３  右電極
１２４  磁壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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