(57)【要約】【課題】磁性層を備えたトラック及びそれを備える磁性素子を提供する。【解決手段】複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、前記トラックに連結された磁壁移動手段と、前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、前記トラックは、前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、前記磁性層の第１面に備えられた第１非磁性層と、前記磁性層の第２面に前記第１非磁性層と異なる物質で形成され、原子番号が１４以上である金属及びマグネシウムのうち少なくとも一つを含む第２非磁性層と、を備える磁性素子である。かかる構造に起因して、磁性層は、高い非断熱係数（β）を有する。磁性素子は、例えば、情報保存素子（メモリ）である。【選択図】図１
2011044693.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、
前記トラックに連結された磁壁移動手段と、
前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、
前記トラックは、
前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、
前記磁性層の第１面に備えられた第１非磁性層と、
前記磁性層の第２面に前記第１非磁性層と異なる物質で形成され、原子番号が１４以上である金属及びマグネシウムのうち少なくとも一つを含む第２非磁性層と、を備える磁性素子。
【請求項２】
前記磁性層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項３】
前記第１非磁性層は、前記磁性層の磁化を垂直に配向する層であることを特徴とする請求項２に記載の磁性素子。
【請求項４】
前記第１非磁性層は、金属層であることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項５】
前記金属層は、ＰｄまたはＰｔを含むことを特徴とする請求項４に記載の磁性素子。
【請求項６】
前記第２非磁性層は、金属酸化物層であることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項７】
前記原子番号が１４以上である金属は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１または６に記載の磁性素子。
【請求項８】
前記第１非磁性層は、金属層であり、
前記第２非磁性層は、金属酸化物層であることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項９】
前記磁性層の非断熱係数（β）は、０．１以上であることを特徴とする請求項１に記載の磁性素子。
【請求項１０】
複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、
前記トラックに連結された磁壁移動手段と、
前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、
前記トラックは、
前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、
前記磁性層の第１面に備えられた熱伝導性の絶縁層と、
前記磁性層の第２面に備えられ、原子番号が１２以上である金属を含む非磁性層と、を備える磁性素子。
【請求項１１】
前記非磁性層は、金属酸化物層であることを特徴とする請求項１０に記載の磁性素子。
【請求項１２】
前記原子番号が１２以上である金属は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載の磁性素子。
【請求項１３】
前記磁性層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１０に記載の磁性素子。
【請求項１４】
前記熱伝導性の絶縁層は、前記磁性層の磁化を垂直に配向する層であることを特徴とする請求項１３に記載の磁性素子。
【請求項１５】
前記熱伝導性の絶縁層は、ＡｌＮを含むことを特徴とする請求項１０に記載の磁性素子。
【請求項１６】
前記磁性層の非断熱係数（β）は、０．１以上であることを特徴とする請求項１０に記載の磁性素子。
【請求項１７】
複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、
前記トラックに連結された磁壁移動手段と、
前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、
前記トラックは、
前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、
前記磁性層の第１面に備えられた第１非磁性層と、
前記磁性層の第２面に形成され、原子番号が１２以上である金属を含む第２非磁性層と、
前記磁性層と前記第２非磁性層との間に備えられ、原子番号が１４以上である金属を含む挿入層と、を備え、
前記挿入層の金属濃度は、前記第２非磁性層の金属濃度より高い磁性素子。
【請求項１８】
前記磁性層は、垂直磁気異方性を有することを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【請求項１９】
前記第１非磁性層は、前記磁性層の磁化を垂直に配向する層であることを特徴とする請求項１８に記載の磁性素子。
【請求項２０】
前記第１非磁性層は、金属層または絶縁層であることを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【請求項２１】
前記第２非磁性層は、金属酸化物層であることを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【請求項２２】
前記第２非磁性層は、前記原子番号が１２以上である金属としてＭｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１７または２１に記載の磁性素子。
【請求項２３】
前記挿入層は、金属層または金属酸化物層であることを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【請求項２４】
前記挿入層は、前記原子番号が１４以上である金属としてＣｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１７または２３に記載の磁性素子。
【請求項２５】
前記挿入層の厚さは、１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【請求項２６】
前記挿入層に含まれた金属の原子番号は、前記第２非磁性層に含まれた金属の原子番号より大きいか、または同じであることを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【請求項２７】
前記磁性層の非断熱係数（β）は、０．１以上であることを特徴とする請求項１７に記載の磁性素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、磁性層を備えたトラック及びそれを備える磁性素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
電源が遮断されても、記録された情報が維持される不揮発性の情報保存装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及び不揮発性ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。
【０００３】
一般的に、ＨＤＤは、回転する部分を有する保存装置であって、摩耗される傾向があり、動作時にフェイルが発生するおそれが大きいため、信頼性が低下する。一方、不揮発性ＲＡＭの代表的な例としてフラッシュメモリが挙げられるが、フラッシュメモリは、回転する機械装置を使用しないが、読み取り／書き込み動作速度が遅く、寿命が短く、ＨＤＤに比べて保存容量が小さいという短所がある。また、フラッシュメモリの生産コストは相対的に高い。
【０００４】
これによって、最近、従来の不揮発性の情報保存装置の問題点を克服するための方案として、磁性物質の磁壁移動原理を利用する新たな情報保存装置に関する研究及び開発が行われている。磁区は、強磁性体内で磁気モーメントが一定方向に整列された磁気的な微小領域であり、磁壁は、相異なる磁化方向を有する磁区の境界部である。磁区及び磁壁は、磁性トラックに印加される電流により移動しうる。磁区及び磁壁の移動原理を利用すれば、回転する機械装置を使用せずに保存容量が大きい情報保存装置を具現できるであろうと予想される。
【０００５】
しかし、磁壁の移動を利用した装置の実用化のためには、磁区及び磁壁を移動させる臨界電流を低める必要がある。前記臨界電流が高いとき、電力消耗が大きく、ジュール熱により磁性体が加熱されて多様な問題が発生しうる。また、電流の印加のための駆動素子やスイッチング素子のサイズを大きくしなければならないので、集積度の改善に不利である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、磁壁を移動させる磁性層を備えたトラック及びそれを備える磁性素子を提供するところにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面によれば、複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、前記トラックに連結された磁壁移動手段と、前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、前記トラックは、前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、前記磁性層の第１面に備えられた第１非磁性層と、前記磁性層の第２面に前記第１非磁性層と異なる物質で形成され、原子番号が１４以上である金属及びマグネシウムのうち少なくとも一つを含む第２非磁性層と、を備える磁性素子が提供される。
【０００８】
前記磁性層は、垂直磁気異方性を有する。
【０００９】
前記磁性層は、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＣｒ及びＣｏＣｒＰｔのうち一つで形成される。
【００１０】
前記第１非磁性層は、前記磁性層の磁化を垂直に配向する層である。
【００１１】
前記第１非磁性層は、金属層である。
【００１２】
前記金属層は、ＰｄまたはＰｔを含む。
【００１３】
前記第２非磁性層は、金属酸化物層である。
【００１４】
前記原子番号が１４以上である金属は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００１５】
前記磁性層の非断熱係数（β）は、０．１以上である。
【００１６】
本発明の他の側面によれば、複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、前記トラックに連結された磁壁移動手段と、前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、前記トラックは、前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、前記磁性層の第１面に備えられた熱伝導性の絶縁層と、前記磁性層の第２面に備えられ、原子番号が１２以上である金属を含む非磁性層と、を備える磁性素子が提供される。
【００１７】
前記非磁性層は、金属酸化物層である。
【００１８】
前記原子番号が１２以上である金属は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００１９】
前記磁性層は、垂直磁気異方性を有する。
【００２０】
前記磁性層は、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＣｒ及びＣｏＣｒＰｔのうち一つで形成される。
【００２１】
前記熱伝導性の絶縁層は、前記磁性層の磁化を垂直に配向する層である。
【００２２】
前記熱伝導性の絶縁層は、ＡｌＮを含む。
【００２３】
前記磁性層の非断熱係数（β）は、０．１以上である。
【００２４】
本発明の他の側面によれば、複数の磁区及びそれらの間に磁壁を有するトラックと、前記トラックに連結された磁壁移動手段と、前記トラックについての情報の再生及び記録のための読み取り／書き込み手段と、を備え、前記トラックは、前記磁区及び磁壁を有する磁性層と、前記磁性層の第１面に備えられた第１非磁性層と、前記磁性層の第２面に形成され、原子番号が１２以上である金属を含む第２非磁性層と、前記磁性層と前記第２非磁性層との間に備えられ、原子番号が１４以上である金属を含む挿入層と、を備え、前記挿入層の金属濃度は、前記第２非磁性層の金属濃度より高い磁性素子が提供される。
【００２５】
前記磁性層は、垂直磁気異方性を有する。
【００２６】
前記磁性層は、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＣｒ及びＣｏＣｒＰｔのうち一つで形成される。
【００２７】
前記第１非磁性層は、前記磁性層の磁化を垂直に配向する層である。
【００２８】
前記第１非磁性層は、金属層または絶縁層である。ここで、前記金属層は、ＰｄまたはＰｔを含み、前記絶縁層は、ＡｌＮを含む。
【００２９】
前記第２非磁性層は、金属酸化物層である。
【００３０】
前記第２非磁性層は、前記原子番号が１２以上である金属としてＭｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００３１】
前記挿入層は、金属層または金属酸化物層である。
【００３２】
前記挿入層は、前記原子番号が１４以上である金属としてＣｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００３３】
前記挿入層の厚さは、１ｎｍ以下である。
【００３４】
前記挿入層に含まれた金属の原子番号は、前記第２非磁性層に含まれた金属の原子番号より大きいか、または同じである。
【００３５】
前記磁性層の非断熱係数（β）は、０．１以上である。
【発明の効果】
【００３６】
本発明によれば、磁性層の磁壁の移動のための臨界電流を低めることができる。したがって、電力消耗が少なく、ジュールヒーティング問題が抑制された磁壁移動素子を具現できる。磁壁移動電流を印加するための駆動素子やスイッチング素子のサイズを縮小させるので、集積度の向上が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施形態によるトラックを示す断面図である。
【図２】本発明の実施形態によるトラックを示す断面図である。
【図３】本発明の実施形態によるトラックを示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態によるトラックを示す断面図である。
【図５】本発明の実施形態によるトラックを示す断面図である。
【図６】本発明の実施形態によるトラックにおいて、磁性層の非断熱係数（β）による磁壁の移動のための臨界電流密度の変化を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態によるトラックを備える磁壁の移動を利用した磁性素子を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の実施形態による磁性層を備えたトラック及びそれを備える磁性素子を、添付された図面を参照して詳細に説明する。この過程で、図面に示した層や領域の厚さは、明細書の明確性のために多少誇張されて示されたものである。詳細な説明の全体にわたって、同じ参照番号は同じ構成要素を表す。
【００３９】
図１は、本発明の実施形態によるトラックＴ１の断面図である。
【００４０】
図１を参照すれば、トラックＴ１は、第１非磁性層１、磁性層２及び第２非磁性層３が順次に積層された構造を有する。すなわち、磁性層２の下面及び上面にそれぞれ第１非磁性層１及び第２非磁性層３が備えられる。トラックＴ１は、所定の方向、例えば、Ｙ軸方向に延びる。
【００４１】
磁性層２は、トラックＴ１の延長方向（すなわち、Ｙ軸方向）に一列に配列された複数の磁区を有し、隣接した二つの磁区間ごとに磁壁が備えられる。磁性層２は、垂直磁気異方性を有する。この場合、磁性層２は、Ｃｏ系の物質を含む。例えば、磁性層２は、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＣｒ及びＣｏＣｒＰｔのうち一つで形成される。
【００４２】
第１非磁性層１は、磁性層２の磁化を垂直に配向する層である。すなわち、第１非磁性層１により磁性層２の磁化容易軸がＺ軸と決定され、それによって、磁性層２が垂直磁気異方性を有する。かかる第１非磁性層１は、金属層である。例えば、第１非磁性層１は、ＰｄまたはＰｔなどを含む。第１非磁性層１は、Ｐｄ層またはＰｔ層である。しかし、第１非磁性層１の物質は、これらに限定されない。
【００４３】
第２非磁性層３は、第１非磁性層１と異なる物質で形成された層である。この場合、トラックＴ１は、磁性層２を基準として上下非対称構造を有する。さらに具体的に説明すれば、第２非磁性層３は、金属化合物層、例えば、金属酸化物層である。このとき、第２非磁性層３は、原子番号が１４以上である金属を含む。前記原子番号が１４以上である金属は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つである。第２非磁性層３は、前記原子番号が１４以上である金属の代わりに、あるいは、それと共にマグネシウムを含む。例えば、第２非磁性層３は、ＭＯｘ（ここで、Ｍは金属）で表現でき、このとき、Ｍは、Ｍｇ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００４４】
第１非磁性層１、磁性層２及び第２非磁性層３の厚さは、それぞれ約０．５ないし５．０ｎｍ、０．２ないし１．０ｎｍ及び０．５ないし３．０ｎｍである。そして、トラックＴ１のＸ軸方向の幅は、約３０ないし１０００ｎｍである。
【００４５】
本実施形態のように、磁性層２の上下面に相異なる非磁性層（すなわち、第１及び第２非磁性層）１，３が備えられ、トラックＴ１が上下非対称構造を有する場合、また、第２非磁性層３が原子番号が比較的大きい元素（金属元素）を含む場合、磁性層２の非断熱係数（β）は大きくなる。磁性層２の非断熱係数（β）が大きいほど、磁区及び磁壁の磁気モーメントが容易に回転できるので、磁区及び磁壁の移動が容易になる。したがって、磁区及び磁壁の移動のための臨界電流密度は低くなる。
【００４６】
さらに詳細に説明すれば、トラックＴ１が前述した上下非対称構造を有する場合、第１非磁性層１と磁性層２との界面（以下、第１界面）及び磁性層２と第２非磁性層３との界面（以下、第２界面）の電気的特徴が異なるため、前記第１界面と第２界面との間に電場が発生する。例えば、前記第２界面から前記第１界面の方向に電場が印加される。前記電場は、磁性層２に印加される。かかる電場は、“ラッシュバ（Ｒａｓｈｂａ）効果”を発生させ、その結果、磁性層２を通じて移動する電子のスピンフリップ速度が速くなる。“ラッシュバ効果”は、電場下で移動する電子に磁場が印加されるというものであって、前記磁場と前記電子のスピンとの相互作用により、前記電子のスピンフリップ速度が速くなる。前記電子のスピンフリップ速度が速くなるというのは、スピンフリップ時間（τｓｆ）が短くなるというのである。非断熱係数（β）は、下記の数式１のように、電子のエネルギー交換時間（τｅｘ）をスピンフリップ時間（τｓｆ）で割った値で表す。したがって、前述した“ラッシュバ効果”により電子のスピンフリップ時間（τｓｆ）が短縮すれば、非断熱係数（β）は増加する。
【００４７】
【数１】
2011044693.tif 000003
【００４８】
このとき、本実施形態のように、第２非磁性層３が、原子番号が比較的大きい元素（金属元素）を含む場合、“ラッシュバ効果”はさらに大きくなる。これは、原子番号が大きい物質であるほど、原子核に陽性子を多く含むので、それほど強い電場を発生させるためであると見られる。すなわち、第２非磁性層３に含まれた金属の原子番号が大きいほど、磁性層２と第２非磁性層３との界面（すなわち、前記第２界面）で発生する磁場の強度が強くなり、“ラッシュバ効果”が大きくなるので、トラックＴ１に流れる電子のスピンフリップ時間（τｓｆ）はさらに短くなる。これは、磁性層２の非断熱係数 （β）が増加することを意味する。例えば、本実施形態において、磁性層２の非断熱係数（β）は、約０．１以上である。したがって、トラックＴ１の磁区及び磁壁の移動のための臨界電流密度は、非常に低くなる。かかる効果は、後述する他の実施形態によるトラックでも類似して表れる。以下の実施形態によるトラックに含まれた磁性層の非断熱係数（β）も、約０．１以上である。
【００４９】
図１において、第１非磁性層１と第２非磁性層３との位置は、互いに変わりうる。その例が図２に示されている。
【００５０】
図２を参照すれば、トラックＴ２は、磁性層２’の下面及び上面にそれぞれ第２非磁性層３’及び第１非磁性層１’が備えられた構造を有する。第１非磁性層１’、磁性層２’及び第２非磁性層３’は、それぞれ図１の第１非磁性層１、磁性層２及び第２非磁性層３に対応する。図２のように、第１非磁性層１’が磁性層２’の上面に備えられても、第１非磁性層１’がＰｄ層やＰｔ層のような金属層である場合、それによって磁性層２’の磁化が垂直に配向する。
【００５１】
図３は、本発明の他の実施形態によるトラックＴ３の断面図である。
【００５２】
図３を参照すれば、トラックＴ３は、第１非磁性層１０、磁性層２０及び第２非磁性層３０が順次に積層された構造を有する。すなわち、磁性層２０の下面及び上面にそれぞれ第１非磁性層１０及び第２非磁性層３０が備えられる。トラックＴ３は、所定の方向、例えば、Ｙ軸方向に延びる。
【００５３】
磁性層２０は、図１の磁性層２と同じ構成を有する。
【００５４】
第１非磁性層１０は、熱伝導性の絶縁層である。例えば、第１非磁性層１０は、ＡｌＮ層である。ＡｌＮ層の熱伝導度ｋは、約２３０Ｊ／（ｓ・ｍ・Ｋ）である。このように、第１非磁性層１０が熱伝導性の絶縁層である場合、磁壁の移動のためにトラックＴ３に印加する電流により磁性層２０が加熱されるという問題が抑制される。すなわち、前記電流により磁性層２０で発生した熱は、第１非磁性層１０を経て外部に抜け出るので、磁性層２０の加熱による特性の劣化は抑制または防止される。また、第１非磁性層１０が熱伝導性の絶縁層である場合、第１非磁性層１０の電気抵抗が高いため、磁区及び磁壁の移動のための電流は、第１非磁性層１０にほとんど流れない。これは、前記電流が磁性層２０に集中しうるという意味である。したがって、第１非磁性層１０が導電層である場合より低い電流を利用して、磁性層２０の磁区及び磁壁を移動させることができる。
【００５５】
加えて、第１非磁性層１０が熱伝導性の絶縁層である場合であっても、第１非磁性層１０は、磁性層２０の磁化を垂直に配向する役割を行える。すなわち、第１非磁性層１０により、磁性層２０の磁化容易軸がＺ軸方向と決定される。
【００５６】
第２非磁性層３０は、第１非磁性層１０と異なる物質で形成される。したがって、トラックＴ３は、上下非対称構造である。さらに具体的に、第２非磁性層３０は、金属化合物層、例えば、金属酸化物層である。このとき、第２非磁性層３０は、原子番号が１２以上である金属を含む。前記金属は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。例えば、第２非磁性層３０は、ＭＯｘ（ここで、Ｍは金属）で表現でき、このとき、Ｍは、Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００５７】
一方、第１非磁性層１０、磁性層２０及び第２非磁性層３０の厚さ及び幅は、図１の第１非磁性層１、磁性層２及び第２非磁性層３のものと類似している。
【００５８】
このように、トラックＴ３が上下非対称構造を有し、第２非磁性層３０が、原子番号が比較的大きい元素（金属元素）を含むため、“ラッシュバ効果”により磁性層２０の非断熱係数（β）は大きくなり、磁区及び磁壁の移動のための臨界電流密度は低くなる。かかる効果は、図１を参照して説明したものと類似している。ただし、図３の実施形態では、第１非磁性層１０が熱伝導性の絶縁層であるため、それによる効果が付加される。
【００５９】
図４は、本発明の他の実施形態によるトラックＴ４の断面図である。
【００６０】
図４を参照すれば、トラックＴ４は、第１非磁性層１００、磁性層２００、挿入層２５０及び第２非磁性層３００が順次に積層された構造を有する。トラックＴ４は、所定の方向、例えば、Ｙ軸方向に延びる。
【００６１】
第１非磁性層１００は、図１の第１非磁性層１と類似した金属層であるか、または図３の第１非磁性層１０と類似した絶縁層である。例えば、前記金属層は、ＰｄまたはＰｔを含み、前記絶縁層は、ＡｌＮを含む。具体的に、第１非磁性層１００は、Ｐｄ層及びＰｔ層のような金属層であるか、またはＡｌＮ層のような絶縁層である。かかる第１非磁性層１００は、磁性層２００の磁化を垂直に配向する役割を行える。
【００６２】
磁性層２００は、図１の磁性層２に対応する層である。すなわち、磁性層２００は、垂直磁気異方性を有し、この場合、Ｃｏ系の物質、例えば、Ｃｏ，ＣｏＦｅ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＣｒ及びＣｏＣｒＰｔのうち一つで形成される。
【００６３】
第２非磁性層３００は、図３の第２非磁性層３０に対応する層である。すなわち、第２非磁性層３００は、金属化合物層、例えば、金属酸化物層（ＭＯｘ、Ｍは金属）である。このとき、第２非磁性層３００は、原子番号が１２以上である金属を含む。前記金属は、Ｍｇ，Ａｌ，Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む。
【００６４】
磁性層２００と第２非磁性層３００との間の挿入層２５０は、原子番号が１４以上である金属を含む。挿入層２５０の金属濃度は、第２非磁性層３００の金属濃度より高い。挿入層２５０に含まれた金属の原子番号は、第２非磁性層３００に含まれた金属の原子番号より大きいか、または同じである。例えば、挿入層２５０は、Ｃｒ，Ｒｕ，Ｐｄ，Ｔａ及びＰｔのうち少なくとも一つを含む金属層であるか、または金属酸化物層である。挿入層２５０の厚さは、相対的に薄い。例えば、挿入層２５０は、１ｎｍ以下の非常に薄い厚さに形成される。挿入層２５０の厚さが薄い場合、挿入層２５０は、磁性層２００と第２非磁性層３００との界面で、前記界面の特徴を変化させる役割を行う。挿入層２５０の金属濃度は、第２非磁性層３００の金属濃度より高く、また、挿入層２５０に含まれた金属の原子番号は、第２非磁性層３００に含まれた金属の原子番号より大きいので、挿入層２５０により“ラッシュバ効果”がさらに向上する。したがって、磁区及び磁壁の移動のための臨界電流密度はさらに低くなる。
【００６５】
図４の構造は、図５のように変形される。
【００６６】
図５を参照すれば、トラックＴ５は、磁性層２００’の上面に第１非磁性層１００’が備えられ、磁性層２００’の下面に挿入層２５０’及び第２非磁性層３００’が順次に備えられた構造を有する。第１非磁性層１００’、磁性層２００’、挿入層２５０’及び第２非磁性層３００’は、それぞれ図４の第１非磁性層１００、磁性層２００、挿入層２５０及び第２非磁性層３００に対応する。図５のトラックＴ５は、図４のトラックＴ４をひっくり返した構造といえる。ただし、図５のトラックＴ５において、第１非磁性層１００’により磁性層２００’の磁化を垂直に配向させるためには、第１非磁性層１００’は、ＰｄまたはＰｔのような金属で形成できる。第１非磁性層１００’としてＡｌＮ層を使用する場合、磁性層２００’の磁化を垂直に配向しがたい。しかし、場合によっては、第１非磁性層１００’が磁性層２００’の磁化を垂直に配向する層として使われないこともあるので、第１非磁性層１００’の物質は、前述したＰｄ及びＰｔのような金属に限定されない。
【００６７】
図５のような構造でも、図４と類似して“ラッシュバ効果”により、磁区及び磁壁の移動のための臨界電流密度が低くなる。
【００６８】
一方、本発明の実施形態によるトラックの形成方法について簡略に説明すれば、次の通りである。トラックＴ１ないしＴ５を構成する層は、半導体工程で使われる一般的な薄膜蒸着工程で形成できる。ただし、磁性層２，２’，２０，２００，２００’の垂直磁化のために、第２非磁性層３，３’，３０，３００，３００’（ＭＯｘ）を、プラズマ酸化を経て形成するか、またはトラックＴ１ないしＴ５を所定の温度でアニーリングできる。前記アニーリングの温度は、約４００℃以下である。前記プラズマ酸化及びアニーリングは、選択的な工程である。すなわち、トラックＴ１ないしＴ５の構造及び構成物質によって、前記プラズマ酸化及びアニーリングなしにも磁性層２，２’，２０，２００，２００’を垂直磁化させる。また、以上、磁性層２，２’，２０，２００，２００’が垂直磁気異方性を有する場合について説明したが、磁性層２，２’，２０，２００，２００’は、垂直磁気異方性でない水平磁気異方性を有する物質及び構造で形成してもよい。したがって、第１非磁性層１，１’，１０，１００，１００’は、磁性層２，２’，２０，２００，２００’の磁化を垂直配向する役割を行わないこともある。
【００６９】
図６は、本発明の実施形態によるトラックにおいて、磁性層の非断熱係数（β）による磁壁の移動のための臨界電流密度の変化を示すグラフである。図６は、タンピング定数（α）が相異なる磁性層を有する複数のトラックに対する結果である。
【００７０】
図６を参照すれば、非断熱係数（β）が約０．１ないし０．１５以上である場合、非断熱係数（β）が増加するにつれて、臨界電流密度が低くなるということが分かる。図６の結果では、非断熱係数（β）が約０．１ないし０．１５である地点から臨界電流密度が低くなり始めたが、臨界電流密度が低くなり始めるポイントは、トラックの構造及び構成物質によって変わりうる。一方、図６において、タンピング定数（α）が小さくなるほど、臨界電流密度は低くなる傾向があるということが分かる。
【００７１】
本発明の実施形態によるＡｌＮ／Ｃｏ／ＰｔＯｘ構造では、非断熱係数（β）が約１．０である一方、比較例によるＰｔ／Ｃｏ／Ｐｔ構造では、非断熱係数（β）が約０．０２であるので、図６の結果に基づく時、前記実施形態による構造（ＡｌＮ／Ｃｏ／ＰｔＯｘ）では、前記比較例の場合より臨界電流密度が約１／３に低くなると予想される。
【００７２】
前述したトラックは、磁壁の移動を利用した磁性素子に適用できる。その一例が図７に示されている。すなわち、図７は、本発明の実施形態によるトラック１０００を備える磁壁の移動を利用した磁性素子を示す斜視図である。
【００７３】
図７を参照すれば、所定の方向、例えば、Ｙ軸方向に延びたトラック１０００が備えられる。トラック１０００は、図１ないし図５のトラックＴ１ないしＴ５のうちいずれか一つの構造を有する。トラック１０００は、その延長方向（すなわち、Ｙ軸方向）に沿って一列に連続配列された複数の磁区を有し、隣接した二つの磁区間に磁壁が備えられる。トラック１０００は、各磁区に情報を保存する情報保存要素として使われる。トラック１０００の形態は、図示されたところに限定されず、多様に変形される。
【００７４】
トラック１０００の両端のうち少なくとも一つは、トランジスタと連結される。例えば、図７に示したように、トラック１０００の両端は、第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２と連結される。第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のうち少なくとも一つは、電流源（図示せず）に連結される。前記電流源、第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、トラック１０００に連結された“磁壁移動手段”を構成できる。前記電流源、第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を利用してトラック１０００に所定の電流を印加して、トラック１０００内で磁区及び磁壁を移動させることができる。第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のオン・オフ状態を制御して前記電流の方向を調節でき、前記電流の方向によって、磁区及び磁壁の移動方向が変わりうる。電流の方向は、電子の方向と逆であるので、磁区及び磁壁は、電流の方向と逆方向に移動する。トラック１０００の両端をそれぞれ第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２と連結させる代わりに、トラック１０００の両端のうち一つに一つまたは二つ以上のトランジスタを連結してもよい。トランジスタの代わりに、他のスイッチング素子、例えば、ダイオードを使用してもよい。その他にも、前記“磁壁移動手段”の構成は多様に変形される。
【００７５】
トラック１０００の所定の領域上に、読み取り手段２０００及び書き込み手段３０００が備えられる。読み取り手段２０００及び書き込み手段３０００は、それぞれ一つの磁区に対応する長さを有する。読み取り手段２０００は、巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＧＭＲ）効果を利用したＧＭＲセンサ、またはトンネル磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ：ＴＭＲ）効果を利用したＴＭＲセンサである。書き込み手段３０００は、ＧＭＲまたはＴＭＲ記録装置である。書き込み手段３０００は、外部磁場を利用して書き込みを行う装置であることもあるが、この場合、書き込み手段３０００は、トラック１０００と所定の間隔ほど離隔される。読み取り手段２０００及び書き込み手段３０００の読み取り及び書き込みメカニズム、構造及び形成位置などは、前述したところ及び図示されたものに限定されず、多様に変更される。例えば、読み取り手段２０００及び書き込み手段３０００をそれぞれ備える代わりに、読み取り機能及び書き込み機能を兼ねる一体型の読み取り／書き込み手段を備えてもよい。また、読み取り手段２０００及び書き込み手段３０００は、トラック１０００の上面でない下面に備え、場合によってはトラック１０００の側面に備えてもよい。
【００７６】
第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を備える電流印加手段でもってトラック１０００に電流を印加して、磁区及び磁壁をビット単位で移動させつつ、読み取り手段２０００または書き込み手段３０００を利用して情報を再生または記録できる。したがって、図７の磁性素子は、磁壁の移動を利用した情報保存装置である。
【００７７】
本実施形態では、トラック１０００の磁区及び磁壁を移動させるための臨界電流密度が低いため、前記磁性素子の電力消耗は少なく、ジュール加熱問題も抑制される。また、磁区及び磁壁の移動のための電流を印加する素子（すなわち、図７の第１及び第２トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２）のサイズを縮小させるので、集積度の向上が容易である。
【００７８】
前記した説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは、発明の範囲を限定するというより、望ましい実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、本発明の実施形態によるトラックは、図７のような情報保存装置（メモリ）だけでなく、磁壁移動原理が適用される他のあらゆる分野に適用されるということが分かるであろう。また、図１ないし図５及び図７の構造は、多様に変形されるということが分かるであろう。具体的な例として、磁性層２，２’，２０，２００，２００’は、垂直磁気異方性でない水平磁気異方性を有する物質及び構造で形成され、第１非磁性層１，１’，１０，１００，１００’は、磁性層２，２’，２０，２００，２００’の磁化を垂直に配向する役割を行わず、第２非磁性層３，３’，３０，３００，３００’は、金属酸化物でない他の金属化合物で形成されるということが分かるであろう。このため、本発明の範囲は、説明された実施形態により決まるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により決まらねばならない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、磁性素子関連の技術分野に適用可能である。
【符号の説明】
【００８０】
１，１’，１０，１００，１００’  第１非磁性層
２，２’，２０，２００，２００’  磁性層
３，３’，３０，３００，３００’  第２非磁性層
２５０，２５０’  挿入層
Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４，Ｔ５  トラック
【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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