(57)【要約】【課題】磁化領域比率を安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子を提供することである。【解決手段】本発明の磁壁移動型磁気記録素子１００は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層１と、磁気記録層１に磁気的に結合した第１強磁性層２と、磁気記録層１上に、平面視して第１強磁性層２を挟むように離間して配設され、磁気記録層１に電流を印加する２つの電極（第１電極３、第２電極４）と、を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層と、
前記磁気記録層に磁気的に結合した第１強磁性層と、
前記磁気記録層上に、平面視して前記第１強磁性層を挟むように離間して配設され、前記磁気記録層に電流を印加する２つの電極と、を備えた、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項２】
前記磁気記録層に接合されたスピン軌道トルク配線層を備えた、請求項１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項３】
強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層と、
前記磁気記録層に磁気的に結合した第１強磁性層と、
前記磁気記録層と電気的に絶縁され、前記磁気記録層に対して交差する方向に延在する磁場印加配線と、を備えた、磁壁移動型磁気記録素子。
【請求項４】
前記磁気記録層の強磁性結晶粒の材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかの単体、又は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくともいずれか１つを含む合金である、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】
前記磁気記録層の粒界相の材料は、Ｏ、Ｎ、Ｆの少なくともいずれか１つを含む非磁性材料である、請求項１〜４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６】
前記磁気記録層を構成する、前記強磁性結晶粒の材料αと前記粒界相の材料βの体積比がｘ：１００−ｘ（１０<ｘ<９０）である、請求項1〜５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７】
前記磁気記録層と前記第１強磁性層との間に磁気結合層を備える、請求項１〜６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】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子と、
前記第１強磁性層上に配設された非磁性層と、
前記非磁性層上に配設された第２強磁性層と、を備えた、磁壁移動型磁気抵抗効果素子。
【請求項９】
請求項８に記載の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を複数備えた、磁気メモリ。
【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、磁壁移動型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリに関する。
【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  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ  Ｃｈａｎｇｅ  Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）等がある。
【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。
【０００４】
特許文献１には、磁気記録層内における磁壁を移動させることで、多値のデータを記録することが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１には、磁気記録層内にトラップサイトを設けることで、多値のデータ記録が安定化することが記載されている。
【０００５】
磁気記録層（磁壁移動層）に印加されるパルス電流で磁壁位置を安定的に制御することと、その磁壁位置変化による磁化状態の変化をＴＭＲ抵抗値から正確に読み取ることが求められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２００９／１０１８２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、図６において模式的に示すように、磁壁移動層の磁性結晶粒サイズのばらつきが大きい場合、磁壁位置や磁壁幅の安定性をばらつかせ、ＴＭＲ抵抗値の安定した読み取りを阻害する。ここで、図６Ａは、磁壁移動層中の磁性結晶粒及び磁壁を模式的に示した図であり、図６Ｂは、磁壁の位置と磁壁移動型磁気記録素子の抵抗値との関係を模式的に示すグラフである。図６Ａにおいて、符号ＤＷは磁壁を示すものであり、符号Ｐ１は磁性結晶粒を示すものである。また、図６Ｂにおいて、横軸の入力負荷は磁壁の位置に相当するものであり、実線は理想的な抵抗変化を示すものであり、点線は磁性結晶粒サイズのばらつきが大きい場合の抵抗変化を示すものである。
例えば、磁壁移動層がＣｏＰｔ合金からなる場合、磁性結晶粒のサイズは通常、１〜３０ｎｍ程度であり、そのサイズに対して、一般的なサイズのばらつき（最大サイズ−最小サイズ）の目安を言えば、１〜５ｎｍ程度である。
【０００８】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁化領域比率を安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子、磁壁移動型磁気抵抗効果素子及び磁気メモリ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】
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
【００１０】
（１）本発明の第１の態様に係る磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層と、前記磁気記録層に磁気的に結合した第１強磁性層と、前記磁気記録層上に、平面視して前記第１強磁性層を挟むように離間して配設され、前記磁気記録層に電流を印加する２つの電極と、を備えている。
【００１１】
（２）上記態様において、前記磁気記録層に接合されたスピン軌道トルク配線層を備えてもよい。
【００１２】
（３）本発明の第２の態様に係る磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層と、前記磁気記録層に磁気的に結合した第１強磁性層と、前記磁気記録層と電気的に絶縁され、前記磁気記録層に対して交差する方向に延在する磁場印加配線と、を備えている。
【００１３】
（４）上記態様のいずれかにおいて、前記磁気記録層の強磁性結晶粒の材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかの単体、又は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくともいずれか１つを含む合金であってもよい。
【００１４】
（５）上記態様のいずれかにおいて、前記磁気記録層の粒界相の材料は、Ｏ、Ｎ、Ｆの少なくともいずれか１つを含む非磁性材料であってもよい。
【００１５】
（６）上記態様のいずれかにおいて、前記磁気記録層を構成する、前記強磁性結晶粒の材料αと前記粒界相の材料βのモル比がｘ：１００−ｘ（１０<ｘ<９０）であってもよい。
【００１６】
（７）上記態様のいずれかにおいて、前記磁気記録層と前記第１強磁性層との間に磁気結合層を備えてもよい。
【００１７】
（８）本発明の第３の態様に係る磁壁移動型磁気抵抗効果素子は、第１の態様に係る上記磁壁移動型磁気記録素子と、前記第１強磁性層上に配設された非磁性層と、前記非磁性層上に配設された第２強磁性層と、を備えている。
【００１８】
（９）本発明の第４の態様に係る磁気メモリは、第２の態様に係る磁壁移動型磁気抵抗効果素子を複数備えている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の磁壁移動型磁気記録素子によれば、磁化領域比率を安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した斜視図である。
【図２Ａ】本発明の磁壁移動型磁気記録素子における磁気記録層中の強磁性結晶粒及び結晶粒分布境界を模式的に示した図である。
【図２Ｂ】結晶粒分布境界の位置と、磁壁移動型磁気抵抗効果素子を作製した場合の抵抗値との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】磁気記録層と第１強磁性層との間に磁気結合層を備えた態様を模式的に示した斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかる磁壁移動型磁気抵抗効果素子を模式的に示した斜視図である。
【図６Ａ】従来の磁壁移動型磁気抵抗効果素子の磁壁移動層中の磁性結晶粒及び磁壁を模式的に示した図である。
【図６Ｂ】磁壁の位置と、磁壁移動型磁気記録素子の抵抗値との関係を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
（磁壁移動型磁気記録素子）
「第１実施形態」
図１は、本発明の第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００を模式的に示した斜視図である。
磁壁移動型磁気記録素子１００は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層１と、磁気記録層１に磁気的に結合した第１強磁性層２と、磁気記録層１上に、平面視して第１強磁性層２を挟むように離間して配設され、磁気記録層１に電流を印加する２つの電極（第１電極３、第２電極４）と、を備えている。
強磁性結晶粒は柱状であることが好ましく、本明細書において、柱状の強磁性結晶粒を特に強磁性結晶粒カラムということがある。
【００２３】
＜磁気記録層＞
磁気記録層１は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有するものである。磁気記録層１の材料としては、磁気記録媒体において磁気記録層の材料として用いられているものを用いてもよい。強磁性結晶粒は柱状であることが望ましい。
グラニュラ構造としては、粒界相が非磁性でかつ絶縁性の材料からなるものを用いることもできるし、また、非磁性金属（例えば、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の単体や、それらのうちの一つを含む合金）からなるものを用いることもできる。以下、粒界相が非磁性でかつ絶縁性の材料である場合を強磁性金属−絶縁体系グラニュラ材料、粒界相が非磁性金属である場合を強磁性金属−非磁性金属グラニュラ材料ということがある。
強磁性金属−絶縁体系グラニュラ材料の場合、例えば、ＣｏＰｔ合金（強磁性金属）−ＳｉＯ２（酸化物）系グラニュラ材料などでは、１０μｍ以下の微細な強磁性結晶粒とすることができ、酸化物とＣｏＰｔ合金との相分離を持ち、高い垂直磁気異方性を示すものとできる。
強磁性金属−非磁性金属グラニュラ材料を用いる場合、後述するスピン軌道トルク配線層と同様に、第１強磁性層２にスピン流を供給して磁化を回転あるいは反転させる機能を発揮し得る。
強磁性金属−非磁性金属グラニュラ材料は、ナノメータースケールの強磁性金属の微粒子を非磁性金属のマトリックス中に分散させたものであり、主として互いに固溶しない金属の組み合わせ、例えば、Ｆｅ／Ａｇ、Ｆｅ／Ｃｕ、Ｃｏ／Ｃｕ、Ｃｏ／Ａｕ、Ｆｅ／Ａｕなどを例示することができる。
【００２４】
グラニュラ構造は、磁気記録媒体の磁気記録層の形成に用いられている方法と同様に、真空スパッタによって形成することができる。強磁性結晶粒のサイズ（あるいは粒径）は、スパッタ条件によって制御できる。また、グラニュラ構造を形成するために用いる下地層（例えば、Ｒｕ層）の厚みによっても強磁性結晶粒のサイズを制御できる。
従って、従来の磁壁移動型磁気抵抗効果素子の磁壁移動層に比べて、強磁性結晶粒のサイズ（あるいは粒径）及びそのばらつきを抑制して、書き込み、読み出しを安定的に行うことが可能となる。
【００２５】
磁気記録層１は、従来の強磁性体の連続膜とは異なり、磁化を担う強磁性結晶粒が層中に離散して配置する構造である。そのため、磁気記録層１は、互いに逆向きの磁化を有する２つの磁区の境界という定義の磁壁は有さないが、互いに逆向きの磁化を有する強磁性結晶粒のそれぞれ多い２つの領域の境界（以下、「結晶粒分布境界」ということがある）を有する構成をとることができる。図２Ａは、ｚ方向から平面視したときの結晶粒分布境界の近傍を模式的に示す平面模式図である。図２Ａにおいて、符号Ｂは結晶粒分布境界を示すものであり、符号Ｐ０は磁性結晶粒を示すものである。
図２Ｂは、互いに逆向きの磁化を有する強磁性結晶粒がそれぞれ多い２つの領域の境界の位置と、後述する磁壁移動型磁気抵抗効果素子を作製した場合の抵抗値との関係を模式的に示すグラフである。図２Ｂにおいて、横軸は結晶粒分布境界の位置あるいは磁化領域比率に相当する。
【００２６】
磁気記録層１は、ｘ方向に延在している。磁気記録層１は、内部に結晶粒分布境界Bを有する。結晶粒分布境界Bは、互いに逆向きの磁化を有する強磁性結晶粒のそれぞれ多い２つの領域（第１の結晶粒分布領域１Ａ、第２の結晶粒分布領域１Ｂ）の境界である。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の状態では、第１の結晶粒分布領域１Ａが−ｚ方向に配向した磁化（Ｍ１）を有する強磁性結晶粒が多く、第２の結晶粒分布領域１Ｂが+ｚ方向に配向した磁化（Ｍ２）を有する強磁性結晶粒が多い。
【００２７】
磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁気記録層１中の結晶粒分布境界Bの位置によって、データを多値で記録する。結晶粒分布境界Bが移動すると、磁気記録層１における第１の結晶粒分布領域１Ａと第２の結晶粒分布領域１Ｂとの比率が変化する。
結晶粒分布境界Bは、磁気記録層１の延在方向に電流を流す、及び／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電極３から第２電極４にスピン偏極電流の電流パルスを印加すると、第２の結晶粒分布領域１Bは第１の結晶粒分布領域１Aの方向へ広がり、結晶粒分布境界Bが第１の結晶粒分布領域１Aの方向へ移動する。一方、第２電極４から第１電極３にスピン偏極電流の電流パルスを印加すると、第１の結晶粒分布領域１Ａは第２の結晶粒分布領域１Ｂの方向へ広がり、結晶粒分布境界Bが第２の結晶粒分布領域１Bの方向へ移動する。
つまり、第１電極３及び第２電極４に流すスピン偏極電流の方向、強度を設定することで、結晶粒分布境界Bの位置を制御することできる。
【００２８】
外部磁場を印加することによって結晶粒分布境界Bを移動するために、磁気記録層１と電気的に絶縁されていると共に、磁気記録層１に対して交差する方向に延在する磁場印加配線を設けてもよい。磁場印加配線に電流を流すことによりアンペールの法則により磁場が発生する。磁場印加配線に流す電流の向きによって、発生する磁場の向きを逆向きにすることができる。そこで、磁気記録層１の両端のそれぞれの近傍に磁場印加配線を配設し、磁場印加配線に電流を流して作った磁場によって磁気記録層１の結晶粒分布境界Bを移動させることができる。
【００２９】
磁気記録層の強磁性結晶粒の材料は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅのいずれかの単体、又は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅの少なくともいずれか１つを含む合金とすることができる。
例えば、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＦｅＰｔ等はグラニュラ構造を作る際によく用いられる材料であり、これらの材料を用いれば、グラニュラ構造を容易に作ることができる。
【００３０】
磁気記録層の粒界相の材料は、Ｏ、Ｎ、Ｆの少なくともいずれか１つを含む非磁性材料とすることができる。具体的には、ＺｒＯ２、Ｃｒ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、ＭｎＯ、ＴｉＯ２、ＷＯ２、ＷＯ３、ＳｉＯ２、Ｍｎ３Ｏ４、Ｃｏ３Ｏ４、ＭｏＯ３、Ｂ２Ｏ３、ＴａＮ、ＴａＯ、ＭｇＯ、ＭｇＦ２などを用いることができる。
【００３１】
磁気記録層を構成する、強磁性結晶粒の材料αと粒界相の材料βの体積比をｘ：１００−ｘ（１０<ｘ<９０）とすることが好ましい。
上記例示した酸化物の粒界相とＣｏＰｔ合金粒子との組み合わせのグラニュラ構造において、Ｃｏ80Ｐｔ20−30vol％酸化物の場合、保磁力が大きくなるのは大きい順に並べると、Ｂ２Ｏ３、ＷＯ３、ＭｏＯ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、となる。
【００３２】
図３に示すように、磁気記録層１と第１強磁性層２との間に磁気結合層５を備えてもよい。
磁気結合層５は、  磁気記録層１と第１強磁性層２との間に大きな反強磁性的交換結合を生じさせて、磁気記録層１と第１強磁性層２との間の磁気的な結合を強める機能を有する。
かかる磁気結合層５の材料としては、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈのいずれかの単体や、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈの少なくともいずれか一つを含む合金が好ましい。
【００３３】
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層２は、強磁性体からなる。第１強磁性層２を構成する強磁性材料としては、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用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、ＣｏＨｏ２、ＳｍＦｅ１２等が挙げられる。
【００３４】
第１強磁性層２を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、Ｘ２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
【００３５】
第１強磁性層２は、ｘｙ面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。図１では、第１強磁性層２が面内磁化膜であるとした。
【００３６】
第１強磁性層２の膜厚は、第１強磁性層２の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、２．５ｎｍ以下とすることが好ましく、２．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。また十分な磁化量を確保するために、第１強磁性層２の膜厚は、１．０ｎｍ以上であることが好ましい。第１強磁性層２の膜厚を薄くすると、第１強磁性層２と他の層との界面で、第１強磁性層２に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を付加できる。
【００３７】
第１強磁性層２は、磁気記録層１と磁気的に結合している。そのため、第１強磁性層２は、磁気記録層１の磁気状態を反映する。第１強磁性層２と磁気記録層１とが強磁性カップリングする場合は第１強磁性層２の磁気状態は磁気記録層１の磁気状態と同一になり、第１強磁性層２と磁気記録層１とが反強磁性カップリングする場合は第１強磁性層２の磁気状態は磁気記録層１の磁気状態と反対になる。
【００３８】
＜第１電極、第２電極＞
第１電極３と第２電極４とは、ｚ方向から平面視して第１強磁性層２をｘ方向に挟む位置に配設されている。
【００３９】
本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００は公知の成膜手段を用いて作製できる。後述する実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子についても同様である。
例えば、グラニュラ構造の磁気記録層も、公知のグラニュラ構造の形成方法を用いて形成できる。グラニュラ構造を形成する際には、例えば、Ｒｕの下地層を用いてその上にグラニュラ構造を形成することが多い。この下地層の膜厚を制御することによってグラニュラ構造の強磁性結晶粒カラムの径を制御できる。この下地層が本発明の効果を奏するのに妨げになる場合には、層形成の順番等を工夫して、グラニュラ構造を形成後に下地層を研磨等して除去してもよい。この下地層の除去の際にはさらに、グラニュラ構造の成長端側あるいは成長元側の一部を除去して、グラニュラ構造の各柱状形状の径をより一様にしてもよい。
強磁性結晶粒カラムは、パーマロイなどの磁気異方性が弱い材料の場合、径が４０ｎｍ以下で単磁区化され、ＣｏＰｔなどの磁気異方性が強い材料では径が３００ｎｍ程度でも単磁区化できる。径が数１００ｎｍ以上のように大きい強磁性結晶粒カラムの場合には、１つの強磁性結晶粒カラムの一端だけが磁化反転し、その後、磁壁が移動するというダイナミクスを考慮する必要がでてくる。そのため、強磁性結晶粒カラムでほぼ同時に磁化反転を起こさせるサイズという観点では、径は１００ｎｍ以下であり、より好ましくは８０ｎｍ以下であり、さらに好ましくは６０ｎｍ以下である。
【００４０】
「第２実施形態」
図４は、本発明の第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子２００を模式的に示した斜視図である。図１、図３に示した磁壁移動型磁気記録素子１００において同等な部材については同じ符号を用いて説明を省略する。また、第1実施形態で説明した内容は本実施形態においても適用される。
磁壁移動型磁気記録素子２００は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００の構成にさらに、磁気記録層１に接合されたスピン軌道トルク配線層１１を備えた構成である。
図４に示した構成では、スピン軌道トルク配線層１１は、磁気記録層１の第１強磁性層２の反対側の面に配設する構成であるが、これに限定されない。
【００４１】
本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子においては、第１電極３及び第２電極４の一方から供給した電流は磁気記録層１とスピン軌道トルク配線層１１とに流れる。
スピン軌道トルク配線層に電流が流れるとスピン流が生成し、このスピン流がグラニュラ構造を構成する強磁性結晶粒の磁化反転に寄与する点が特徴である。すなわち、本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子においては、第１実施形態の磁壁移動型磁気記録素子における強磁性結晶粒の磁化反転と同様に磁気記録層１に流れた電流による磁化反転に加えて、スピン軌道トルク配線層から拡散していったスピン流による磁化反転が磁化反転に寄与する。
磁気記録層が強磁性金属−絶縁体系グラニュラ材料からなる場合、絶縁性粒界相の厚みに依存するが、通常は磁気記録層の抵抗がスピン軌道トルク配線層の抵抗よりも大きいため、スピン流による磁化反転の寄与が大きくなる。
本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、スピン流による磁化反転の寄与とスピン偏極電流による磁化反転の寄与は、いずれが大きくてもよい。
【００４２】
＜スピン軌道トルク配線層＞
スピン軌道トルク配線層１１は、Ｘ方向に延在する。スピン軌道トルク配線層１１は、磁気記録層１のＺ方向の一面に接続されている。スピン軌道トルク配線層１１は、磁気記録層１に直接接続されていてもよいし、他の層を介して接続されていてもよい。
【００４３】
スピン軌道トルク配線層１１と磁気記録層１との間に介在する層は、スピン軌道トルク配線層１１から伝搬するスピンを散逸しないことが好ましい。例えば、銀、銅、マグネシウム、及び、アルミニウム等は、スピン拡散長が１００ｎｍ以上と長く、スピンが散逸しにくいことが知られている。
【００４４】
また、この層の厚みは、層を構成する物質のスピン拡散長以下であることが好ましい。
層の厚みがスピン拡散長以下であれば、スピン軌道トルク配線層１１から伝搬するスピンを磁気記録層１に十分に伝えることができる。
【００４５】
スピン軌道トルク配線層１１は、電流が流れるとスピンホール効果によってスピン流が生成される材料からなる。かかる材料としては、スピン軌道トルク配線層１１中にスピン流が生成される構成のものであれば足りる。従って、単体の元素からなる材料に限らないし、スピン流が生成される材料で構成される部分とスピン流が生成されない材料で構成される部分とからなるものであってよい。
【００４６】
材料に電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の向きに直交する方向に第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とが逆方向に曲げられ、スピン流が誘起される現象を、スピンホール効果と呼ぶ。通常のホール効果とスピンホール効果とは運動（移動）する電荷（電子）が運動（移動）方向を曲げられる点で共通するが、通常のホール効果は磁場中で運動する荷電粒子がローレンツ力を受けて運動方向を曲げられるのに対して、スピンホール効果では磁場が存在しないのに電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）で移動方向が曲げられる点で大きく異なる。
【００４７】
非磁性体（強磁性体ではない材料）では第１スピンＳ１の電子数と第２スピンＳ２の電子数とが等しいので、スピン軌道トルク配線層１１の磁気記録層１が配設された面の方向へ向かう第１スピンＳ１の電子数と、第１スピンＳ１の電子とは反対の方向へ向かう第２スピンＳ２の電子数が等しい。そのため、電荷の正味の流れとしての電流はゼロである。この電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。
【００４８】
ここで、第１スピンＳ１の電子の流れをＪ↑、第２スピンＳ２の電子の流れをＪ↓、スピン流をＪＳと表すと、ＪＳ＝Ｊ↑−Ｊ↓で定義される。図１においては、純スピン流としてＪＳが図中の上方向に流れる。ここで、ＪＳは分極率が１００％の電子の流れである。
【００４９】
スピン軌道トルク配線層１１は、非磁性の重金属を含んでもよい。ここで、重金属とは、イットリウム以上の比重を有する金属の意味で用いている。スピン軌道トルク配線層１１は、非磁性の重金属だけからなってもよい。
【００５０】
この場合、非磁性の重金属は最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属であることが好ましい。かかる非磁性金属は、スピンホール効果を生じさせるスピン軌道相互作用が大きいからである。スピン軌道トルク配線層１１は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号が大きい非磁性金属だけからなってもよい。
【００５１】
通常、金属に電流を流すとすべての電子はそのスピンの向きに関わりなく、電流とは逆向きに動くのに対して、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号が大きい非磁性金属はスピン軌道相互作用が大きいためにスピンホール効果によって電子の動く方向が電子のスピンの向きに依存し、純スピン流ＪＳが発生しやすい。
【００５２】
また、スピン軌道トルク配線層１１は、磁性金属を含んでもよい。磁性金属とは、強磁性金属、あるいは、反強磁性金属を指す。非磁性金属に微量な磁性金属が含まれるとスピン軌道相互作用が増強され、スピン軌道トルク配線層１１に流す電流に対するスピン流生成効率を高くできるからである。スピン軌道トルク配線層１１は、反強磁性金属だけからなってもよい。
【００５３】
スピン軌道相互作用はスピン軌道トルク配線材料の物質の固有の内場によって生じるため、非磁性材料でも純スピン流が生じる。スピン軌道トルク配線材料に微量の磁性金属を添加すると、磁性金属自体が流れる電子スピンを散乱するためにスピン流生成効率が向上する。ただし、磁性金属の添加量が増大し過ぎると、発生したスピン流が添加された磁性金属によって散乱されるため、結果としてスピン流が減少する作用が強くなる。したがって、添加される磁性金属のモル比はスピン軌道トルク配線におけるスピン生成部の主成分のモル比よりも十分小さい方が好ましい。目安で言えば、添加される磁性金属のモル比は３％以下であることが好ましい。
【００５４】
また、スピン軌道トルク配線層１１は、トポロジカル絶縁体を含んでもよい。スピン軌道トルク配線層１１は、トポロジカル絶縁体だけからなってもよい。トポロジカル絶縁体とは、物質内部が絶縁体、あるいは、高抵抗体であるが、その表面にスピン偏極した金属状態が生じている物質である。物質にはスピン軌道相互作用という内部磁場のようなものがある。そこで外部磁場が無くてもスピン軌道相互作用の効果で新たなトポロジカル相が発現する。これがトポロジカル絶縁体であり、強いスピン軌道相互作用とエッジにおける反転対称性の破れにより純スピン流を高効率に生成することができる。
【００５５】
トポロジカル絶縁体としては例えば、ＳｎＴｅ，Ｂｉ1.5Ｓｂ0.5Ｔｅ1.7Ｓｅ1.3，ＴｌＢｉＳｅ２，Ｂｉ２Ｔｅ３，Ｂｉ１−ｘＳｂｘ，（Ｂｉ１−ｘＳｂｘ）２Ｔｅ３などが好ましい。これらのトポロジカル絶縁体は、高効率にスピン流を生成することが可能である。
【００５６】
＜磁気記録層への書き込みの原理＞
第２実施形態の磁壁移動型磁気記録素子の磁気記録層への書き込みの原理は、第１実施形態の磁壁移動型磁気記録素子とは異なる。
第１実施形態の磁壁移動型磁気記録素子では、磁気記録層に面内方向（Ｘ方向）に電流を流すことによって、第１の結晶粒分布領域及び第２の結晶粒分布領域の比率を変えて書き込みを行った。すなわち、磁気記録層に面内方向（Ｘ方向）に電流を流すことによって、磁気記録層内における結晶粒分布境界の位置をＸ方向で移動させることで書き込みを行った。この書き込みの態様は、結晶粒分布境界と磁壁との違いはあるものの、従来の磁壁移動型磁気記録素子と類似する。
これに対して、第２実施形態の磁壁移動型磁気記録素子では、スピン軌道トルク配線層１１に電流Ｉ１を流すことによって、スピン流を生成し、このスピン流が磁気記録層に注入されることで書き込みが行われる。すなわち、磁気記録層に注入されたスピン流は、スピン軌道トルク（ＳＯＴ）によって、磁気記録層のグラニュラ構造を構成する強磁性結晶粒の磁化を反転させることができる。これによって、磁気記録層中の第１の向き（例えば、＋Ｚ方向）に配向した磁化を有する強磁性結晶粒と、第１の向きの逆向きである第２の向き（例えば、−Ｚ方向）に配向した磁化を有する強磁性結晶粒とのトータルの体積比率（体積割合）が変わる。この体積比は、図２Ｂの横軸に対応し、この体積比を変えることが書き込みに相当する。また、スピン軌道トルク配線層１１に流す電流の向きを逆向きにすることによって、反転させる強磁性結晶粒の磁化の向きを逆向きにすることができる。
第１実施形態の磁壁移動型磁気記録素子も第２実施形態の磁壁移動型磁気記録素子も、同じ向きに配向した強磁性結晶粒のトータルの体積比率（本明細書において、「磁化領域比率」ということがある）を変えることで書き込みを行う点は共通する。
【００５７】
（磁壁移動型磁気抵抗効果素子）
図５は、本発明の一実施形態にかかる磁壁移動型磁気抵抗効果素子３００を模式的に示した斜視図である。
磁壁移動型磁気抵抗効果素子３００は、強磁性結晶粒と粒界相とからなるグラニュラ構造を有する磁気記録層１と、磁気記録層１に磁気的に結合した第１強磁性層２と、第１強磁性層２に接合された非磁性層１３と、非磁性層１３に接合された第２強磁性層１４と、平面視して磁気記録層１上に第１強磁性層２を挟むように離間して配設され、磁気記録層１に電流を印加する２つの電極（第１電極３、第２電極４）と、を備えている。
第１強磁性層２と非磁性層１３と第２強磁性層１４とを合わせた構成２０は、通常の磁気抵抗効果素子の構成であり、構成２０において通常の磁気抵抗効果素子が備える層構成を適用することができる。
【００５８】
＜第２強磁性層＞
磁壁移動型磁気抵抗効果素子３００は、第２強磁性層１４の磁化が一方向に固定され、第１強磁性層２の磁化の向きが相対的に変化することで機能する。保磁力差型（疑似スピンバルブ型；Pseudo spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、第２強磁性層１４の保磁力は第１強磁性層２の保磁力よりも大きいものとする。交換バイアス型（スピンバルブ型；spin valve型）のＭＲＡＭに適用する場合には、反強磁性層との交換結合によって第２強磁性層１４の磁化方向を固定する。
【００５９】
また、磁壁移動型磁気抵抗効果素子３００は、非磁性層１３が絶縁体からなる場合は、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）素子であり、非磁性層１３が金属からなる場合は巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）素子である。
【００６０】
磁壁移動型磁気抵抗効果素子３００の積層構成は、公知の磁壁移動型磁気抵抗効果素子の積層構成を採用できる。例えば、各層は複数の層からなるものでもよいし、第２強磁性層１４の磁化方向を固定するための反強磁性層などの他の層を備えてもよい。第２強磁性層１４は固定層や参照層、第１強磁性層２は自由層や記憶層などと呼ばれる層に相当する。
【００６１】
第２強磁性層１４の材料には、公知の材料を用いることができ、第１強磁性層２と同様の材料を用いることができる。第１強磁性層２が垂直磁化膜であるため、第２強磁性層１４も垂直磁化膜であることが好ましい。
【００６２】
また、第２強磁性層１４及び第１強磁性層２が面内磁化膜の場合に、第２強磁性層１４の第１強磁性層２に対する保磁力をより大きくするために、第２強磁性層１４と接する材料としてＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどの反強磁性材料を用いてもよい。さらに、第２強磁性層１４の漏れ磁場を第１強磁性層１０２に影響させないようにするため、シンセティック強磁性結合の構造としてもよい。
【００６３】
＜非磁性層＞
非磁性層１３には、公知の材料を用いることができる。例えば、非磁性層１３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などを用いることができる。また、これらのほかにも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅなどに置換された材料など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。また、非磁性層１３が金属からなる場合、その材料としてはＣｕ、Ａｕ、Ａｇなどを用いることができる。さらに、非磁性層１３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。
【００６４】
複数の積演算素子を有する積演算部と和演算部とを備える積和演算器において、積演算素子として本発明の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を用いることができる。
また、入力層と、隠れ層と、出力層と、積和演算器とを備えるニューロモルフィックデバイスにおいて、積和演算器を構成する積演算素子として本発明の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を用いることができる。
【００６５】
（磁気メモリ）
本発明の一実施形態に係る磁気メモリは、本発明の磁壁移動型磁気抵抗効果素子を複数備える。
【符号の説明】
【００６６】
１  磁気記録層
２  第１強磁性層
３  第１電極
４  第２電極
５  磁気結合層
１１  スピン軌道トルク配線層
１３  非磁性層
１４  第２強磁性層
１００、２００  磁壁移動型磁気記録素子
３００  磁壁移動型磁気抵抗効果素子
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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