(57)【要約】      （修正有）【課題】記録素子および再生素子の設置面積を縮小し、なおかつ高密度記録及び省電力を実現し得る磁気メモリ、情報記録／再生方法を提供する。【解決手段】情報記録媒体としての磁性細線と、該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、該磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有し、該磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を電源から供給される電流により移動させることで情報の記録または再生を行う磁気メモリであって、該磁性細線が該記録素子および該再生素子に挟まれるように形成されていることを特徴とする。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有し、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させることで、情報の記録または再生を行う磁気メモリであって、
上記磁性細線が、上記記録素子および上記再生素子に挟まれるように形成されていることを特徴とする磁気メモリ。
【請求項２】
上記再生素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、磁化方向が可変の第２の強磁性体層と、第２の電極とが、この順に積層されているものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項３】
上記第１の電極と上記第１の強磁性体層との間に、反強磁性体層が配置されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気メモリ。
【請求項４】
上記記録素子は、
第３の電極と、第２の中間層と、磁化方向が固定された第３の強磁性体層と、第４の電極とが、この順に積層されているものであり、
上記第３の電極と、上記第２の中間層との間に、上記磁性細線が挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項５】
上記第４の電極と上記第３の強磁性体層との間に、反強磁性体層が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の磁気メモリ。
【請求項６】
上記再生素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、磁化方向が可変の第２の強磁性体層と、第２の電極とが、この順に積層されているものであり、
上記記録素子は、
第３の電極と、第２の中間層と、磁化方向が固定された第３の強磁性体層と、第４の電極とが、この順に積層されているものであり、
上記第２の電極と上記第３の電極とが、共通化されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項７】
上記再生素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とが、この順に積層されているものであることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項８】
上記第１の電極と、上記第１の強磁性体層との間に、反強磁性体層が配置されていることを特徴とする請求項７に記載の磁気メモリ。
【請求項９】
上記記録素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とが、この順に積層されているものであり、
更に、上記磁性細線を介して、第２の中間層と、磁化方向が固定された第２の強磁性体層と、第２の電極とが、この順に積層されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気メモリ。
【請求項１０】
上記第１の強磁性体層と、上記第２の強磁性体層との磁化方向が、逆向きであることを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ。
【請求項１１】
上記第１の電極と上記第１の強磁性体層との間、および、上記第２の電極と上記第２の強磁性体層との間の少なくとも一方に、反強磁性体層が配置されていることを特徴とする請求項９に記載の磁気メモリ。
【請求項１２】
情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有する磁気メモリを用いた情報記録／再生方法であって、
上記磁性細線は、上記記録素子および上記再生素子に挟まれるように形成され、
上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させることで、情報の記録または再生を行うことを特徴とする情報記録／再生方法。
【請求項１３】
情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有する磁気メモリを用いた情報再生方法であって、
上記磁性細線は、上記記録素子および上記再生素子に挟まれるように形成され、
上記再生素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、磁化方向が可変の第２の強磁性体層と、第２の電極とが、この順に積層されているものであり、
上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記磁性細線に電流を流すことによって生じる磁化方向の変化を、上記第１の強磁性体層の磁化方向と、上記第２の強磁性体層の磁化方向との相対的な関係に応じて決定される上記第１及び第２の強磁性体層の間の電気抵抗の変化として、上記第１及び第２の電極で検出することを特徴とする情報再生方法。
【請求項１４】
情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有する磁気メモリを用いた情報再生方法であって、
上記磁性細線は、上記記録素子および上記再生素子に挟まれるように形成され、
上記再生素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とが、この順に積層されているものであり、
上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記磁性細線に電流を流すことによって生じる磁化方向の変化を、上記第１の強磁性体層の磁化方向と、上記磁性細線の磁化方向との相対的な関係に応じて決定される、上記第１の強磁性体層及び上記磁性細線の間の電気抵抗の変化として、上記第１の電極と上記磁性細線との間に電流を流して検出することを特徴とする情報再生方法。
【請求項１５】
情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有する磁気メモリを用いた情報記録方法であって、
上記記録素子は、
第３の電極と、第２の中間層と、磁化方向が固定された第３の強磁性体層と、第４の電極とが、この順に積層されているものであり、
上記第３の電極と、上記第２の中間層との間に、上記磁性細線が挟まれており、
上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記第３及び第４の電極間に電圧を印加して上記第３の強磁性体層と磁性細線との間に電流を流し、スピン偏極した電子を上記磁性細線に作用させることを特徴とする情報記録方法。
【請求項１６】
情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有する磁気メモリを用いた情報記録方法であって、
上記記録素子は、
第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とが、この順に積層されており、更に、上記磁性細線を介して、第２の中間層と、磁化方向が固定された第２の強磁性体層と、第２の電極とが、この順に積層されているものであり、
上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記第１及び第２の電極間に電圧を印加して、上記第１の強磁性体層と上記磁性細線と上記第２の強磁性体層とに電流を流し、スピン偏極した電子を上記磁性細線に作用させることを特徴とする情報記録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報記録再生装置、特に、磁性細線における磁区中の磁気モーメントを用いてデータを記録再生する磁気メモリに関する。具体的には、本発明はデータが記録された磁区を電流により移動させることが可能な磁気メモリ、磁気メモリ、情報記録／再生方法、情報再生方法、情報記録方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ハードディスクドライブ（ＨＤＤ）、固体ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などの不揮発性メモリが多くの商品に用いられている。
【０００３】
ＨＤＤに関しては、安価に、１００ＧＢ（ギガバイト）を超える大量のデータを記録することができる。しかし、ＨＤＤでは、回転している情報記録媒体から数ｎｍ離れたところで読み書きヘッドを移動させなければならない。したがって、ＨＤＤに振動を加えると、ヘッドが情報記録媒体を物理的に損傷し、ＨＤＤが故障する可能性がある。
【０００４】
固体ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）に関しては、１ＧＢのデータを記録することができるものが開発されているが、ＨＤＤに比べて、１ＧＢあたりの単価が高価なものとなっている。更に、代表的な固体ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）であるフラッシュ・メモリは、記録を行う際に１μｓｅｃ以上の時間が必要であり、これは他のメモリと比較すると非常に大きい時間である。さらに、フラッシュ・メモリにおける書き換え回数は、１００万回程度であり、これ以上のデータの書き込みを行うと、セルに記録したデータが消失してしまうという問題がある。
【０００５】
その他の固体ランダム・アクセス・メモリである、強誘電体ＲＡＭ（ＦｅＲＡＭ）、ＯＵＭ（Ｏｖｏｎｉｃ  Ｕｎｉｆｉｅｄ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  ＲＡＭ）においても、数ＭＢ程度の容量しか実現されていない。
【０００６】
以上のように、不揮発性メモリ素子には、ＨＤＤのような情報記録媒体と再生／読み取り素子間のギャップ制御や駆動機構が無く、低コストかつＨＤＤに匹敵する記録容量を有し、さらに、書き換え回数が無制限であることが要求されている。
【０００７】
このような課題を克服するために考案されたのが、基板と垂直方向に配置した磁性細線に情報を多数記録するＭＲＴＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒａｃｅ Ｔｒａｃｋ  Ｍｅｍｏｒｙ）である。ＭＲＴＭについては、特許文献１および２に詳細に記載されているため、以下では簡単に紹介する。
【０００８】
図８は、特許文献１および２に記載されているＭＲＴＭの単位セルの構成図である。図８を参照して、ＭＲＴＭを説明する。ＭＲＴＭの単位セル９００Ｂは、シリコン基板１２０上に垂直に配置したＵ字型形状の磁性細線１０１と、記録素子１０６と、再生素子１０７と、磁性細線１０１に電流９０１を供給する電源とで構成されている。
【０００９】
さらに、磁性細線１０１は、物理的な切込みで区切られた複数の磁区９０３…からなる。各磁区９０３の磁化の向きにより、情報の“１”、“０”を記録している。つまり、磁性材料でできたビット・セルが、基板に対して垂直に多数積層されていることになる。たとえば、１０ミクロンの長さの磁性細線１０１に、１つあたり０．１ミクロンの長さを有する磁区を形成すれば、１００ビットもの情報を垂直方向に積層して記録することができる。
【００１０】
次に、ＭＲＴＭにおける情報の記録/再生方法について説明する。図８に示すように、磁性細線１０１は、情報を記録する領域である記録領域９０４と、それ以外の領域であるリザーブ領域９０５とに分けられており、記録情報は、記録領域９０４中の磁区９０３に記録されている。
【００１１】
情報を再生する場合には、磁性細線１０１に電流９０１を流すことによって、情報が記録されている磁区９０３を区切る磁壁を、記録領域９０４からリザーブ領域９０５へと移動させ、再生を行いたい情報が記録されている磁区９０３を再生素子１０７上部に移動させる。なお、電流９０１はパルス電流であり、その方向・パルス数により、磁壁が移動する方向・距離を制御することができる。
【００１２】
また、再生素子１０７は、図９に示すようにＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子９０８を含んでおり、ＴＭＲ素子９０８の上に移動してきた磁区９０３の磁化により、ＴＭＲ素子９０８の自由層における磁化の向きが変化する。この自由層の磁化の向きをＴＭＲ効果により検知することによって、情報の“１”、“０”を読み取ることができる。
【００１３】
また、情報を記録する場合は、再生時と同様に磁性細線１０１に電流９０１を流すことによって（図８参照）、情報が記録されている磁区９０３間を区切る磁壁を、記録領域９０４からリザーブ領域９０５へと移動させ、記録を行いたい磁区９０３を記録素子１０６上部に移動させる。ここで、記録素子１０６に電流を流し、それにより発生する磁界によって、記録素子上部の磁区９０３の磁化の方向を設定することで、情報の“１”“０”を記録する。
【特許文献１】米国特許第６８３４００５号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００５／００９４４２７号明細書
【特許文献３】米国特許第６８９８１３２号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００５／００７８５０９号明細書
【特許文献５】特開２００４-１９２７４４号公報（２００４年７月８日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところで、ＭＲＴＭの記録／再生速度は、１〜１００ｎｓであり、従来のＤＲＡＭと同等の速度を有する。また、ＭＲＴＭは、より小さいチップ面積に多くの情報を記録することが可能なため、低コスト化を実現することができる。また、ＨＤＤのような駆動機構を備えないため、既存の半導体と同等の信頼性を備えている。そのため、ＭＲＴＭに対しては、すべての不揮発性メモリを置き換えるようなユニバーサルメモリとしての応用が期待されている。
【００１５】
しかしながら、ＭＲＴＭの単位セルの寸法は、図９に示すように各単位セルに配置された記録素子と再生素子の寸法に依存することとなる。そのため、高密度に単位セルを配置するためには、記録素子及び再生素子の設置面積を縮小する必要があるという問題がある。
【００１６】
ここで、記録素子及び再生素子の設置面積を縮小するための方法として、記録素子及び再生素子の寸法自体を小さくすることが考えられる。しかしながら、素子の寸法を小さくした場合は、素子感度が低下して、メモリが誤作動することが考えられるため現実的ではない。
【００１７】
一方、従来のＭＲＴＭにおける記録素子は、配線に電流を流し、そこから発生する漏洩磁界を用いて磁性細線中の磁化を制御し記録を行っている。磁界によって記録を行う場合には、情報記録媒体の寸法が減少するほど必要な磁界が増加するため、配線に流れる電流を増加させなければならず、消費電力が大きくなってしまう。そのため、記録ビットを小さくし、記録密度を向上することが困難となる。
【００１８】
これに関する解決策の一つとして、スピン注入磁化反転技術を用いることが挙げられる（特許文献５等参照）。スピン注入磁化反転技術によれば、情報記録媒体の寸法の減少に伴い必要とする電流を下げることができるため、低消費電力及び高密度記録に適した技術である。
【００１９】
スピン注入磁化反転技術について、もう少し具体的に説明する。図１０に示すように、２つの強磁性体ＦＭ１・ＦＭ２により、非磁性体ＮＭが挟まれており、ＦＭ１とＦＭ２の磁化が反並行に向いているとする。この多層膜において、強磁性体ＦＭ２から強磁性体ＦＭ１の方向へ電流を流すと、強磁性体ＦＭ１から非磁性体ＮＭを通過して強磁性体ＦＭ２にスピン偏極した電子が流れることになる。すなわち、図１０において下向きに向いたスピンを持つ電子が、強磁性体ＦＭ２に流れる。
【００２０】
このとき、ＦＭ１から流れ込んだ電子の持つスピンとＦＭ２のスピンが相互作用し、スピン角運動量の授受が行われる。この結果、強磁性体層ＦＭ２の磁気モーメントにスピントルクが生じる。このスピントルクが大きければ、強磁性体ＦＭ２の磁気モーメントは、回転して、強磁性体ＦＭ１の磁気モーメントと平行になる。このスピン偏極した電子によるスピントルクが磁化反転の駆動力になる。これが、スピン注入磁化反転と呼ばれる現象である。
【００２１】
これにより、反平行に向いていた強磁性体ＦＭ１と強磁性体ＦＭ２の磁化を平行にすることができる。また、逆に、強磁性体ＦＭ１と強磁性体ＦＭ２の磁化を反平行に戻す場合は、前述した向きと逆に電流を流せばよい。
【００２２】
そして、本発明は、このようなスピン注入磁化反転技術が用いることで、記録素子および再生素子の設置面積を縮小し、なおかつ高密度記録及び省電力を実現し得る磁気メモリ、情報記録／再生方法、情報再生方法、および情報記録方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の磁気メモリは、上記課題を解決するために、情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有し、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させることで、情報の記録または再生を行う磁気メモリであって、上記磁性細線が、上記記録素子および上記再生素子に挟まれるように形成されていることを特徴としている。
【００２４】
上記構成によれば、磁性細線が記録素子および再生素子に挟まれるように形成されているので、セル面積を縮小することができ、記録密度を向上させることができる。また、磁性細線を記録素子および再生素子で挟むことにより、スピン注入による磁化反転技術を用いることが可能となり、情報記録媒体の微小化に伴う消費電力の増加を防ぐことが可能となる。
【００２５】
記録素子と再生素子とで磁性細線を挟むためには、再生素子を、たとえば、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、磁化方向が可変の第２の強磁性体層と、第２の電極とが、この順に積層することで構成すればよい。
【００２６】
特に、第１の電極と上記第１の強磁性体層との間に、反強磁性体層を配置することにより、第１の強磁性体層の磁化方向をより確実に固定することができる。
【００２７】
また、スピン注入による磁化反転技術を用いるために、記録素子は、たとえば、第３の電極と、第２の中間層と、磁化方向が固定された第３の強磁性体層と、第４の電極とを、この順に積層し、上記第３の電極と、上記第２の中間層との間に、上記磁性細線を挟むようにして構成すればよい。
【００２８】
特に、第４の電極と上記第３の強磁性体層との間に、反強磁性体層を配置することにより、第３の強磁性体層の磁化方向をより確実に固定することができる。よって、より効率的にスピン注入による磁化反転技術を行うことができる。
【００２９】
さらに、上記再生素子における第２の電極と、上記記録素子における第３の電極とを共通化することにより、セル面積をさらに縮小することができ、記録密度をより向上させることができる。
【００３０】
また、上記再生素子は、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とを、この順に積層することで構成してもよい。
【００３１】
特に、第１の電極と上記第１の強磁性体層との間に、反強磁性体層を配置することにより、第１の強磁性体層の磁化方向をより確実に固定することができる。よって、より効率的にスピン注入による磁化反転技術を行うことができる。
【００３２】
また、記録素子は、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とを、この順に積層し、更に、上記磁性細線を介して、第２の中間層と、磁化方向が固定された第２の強磁性体層と、第２の電極とを、この順に積層することで構成してもよい。
【００３３】
さらに、上記第１の強磁性体層と、上記第２の強磁性体層との磁化方向は、逆向きであることが好ましい。
【００３４】
上記構成によれば、第１の強磁性体層または第２の強磁性体層を通過した電子のスピンがもつ角運動量を、磁性細線中の磁区の磁化に効率的に作用させることができる。その結果として、情報記録時に必要となる電流値を低減することが可能となる。
【００３５】
特に、第１の電極と第１の強磁性体層との間、および、第２の電極と第２の強磁性体層との間の少なくとも一方に、反強磁性体層を配置することにより、第１の強磁性体層または第２の強磁性体層の磁化方向をより確実に固定することができる。よって、より効率的にスピン注入による磁化反転技術を行うことができる。
【００３６】
また、本発明の情報記録／再生方法は、上記課題を解決するために、情報記録媒体としての磁性細線と、当該磁性細線に記録された情報の再生を行うための再生素子と、上記磁性細線に情報記録を行うための記録素子とを有する磁気メモリを用いた情報記録／再生方法であって、上記磁性細線は、上記記録素子および上記再生素子に挟まれるように形成され、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させることで、情報の記録または再生を行うことを特徴としている。
【００３７】
上記構成によれば、磁性細線が記録素子および再生素子に挟まれるように形成されているので、セル面積を縮小することができ、記録密度を向上させることができる。また、磁性細線を記録素子および再生素子で挟むことにより、スピン注入による磁化反転技術を用いることが可能となり、情報記録媒体の微小化に伴う消費電力の増加を防ぐことが可能となる。
【００３８】
さらに、上記構成の情報記録／再生方法において、上記再生素子を、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、磁化方向が可変の第２の強磁性体層と、第２の電極とを、この順に積層することで構成し、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記磁性細線に電流を流すことによって生じる磁化方向の変化を、上記第１の強磁性体層の磁化方向と、上記第２の強磁性体層の磁化方向との相対的な関係に応じて決定される上記第１及び第２の強磁性体層の間の電気抵抗の変化として、上記第１及び第２の電極で検出することで、磁性細線に記録された情報の再生を行ってもよい。
【００３９】
また、上記構成の情報記録／再生方法において、上記再生素子を、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とを、この順に積層することで構成し、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記磁性細線に電流を流すことによって生じる磁化方向の変化を、上記第１の強磁性体層の磁化方向と、上記磁性細線の磁化方向との相対的な関係に応じて決定される、上記第１の強磁性体層及び上記磁性細線の間の電気抵抗の変化として、上記第１の電極と上記磁性細線との間に電流を流して検出することで、磁性細線に記録された情報の再生を行ってもよい。
【００４０】
さらに、上記構成の情報記録／再生方法において、上記記録素子を、第３の電極と、第２の中間層と、磁化方向が固定された第３の強磁性体層と、第４の電極とを、この順に積層することで構成し、さらに、上記第３の電極と、上記第２の中間層との間に、上記磁性細線を挟むように構成し、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記第３及び第４の電極間に電圧を印加して上記第３の強磁性体層と磁性細線との間に電流を流し、スピン偏極した電子を上記磁性細線に作用させることで、磁性細線に対して情報の記録を行ってもよい。
【００４１】
また、上記構成の情報記録／再生方法において、上記記録素子を、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層とが、この順に積層されており、更に、上記磁性細線を介して、第２の中間層と、磁化方向が固定された第２の強磁性体層と、第２の電極とを、この順に積層することで構成し、上記磁性細線に形成された複数の磁区を仕切る磁壁を、電源から供給される電流により移動させるとともに、上記第１及び第２の電極間に電圧を印加して、上記第１の強磁性体層と上記磁性細線と上記第２の強磁性体層とに電流を流し、スピン偏極した電子を上記磁性細線に作用させることで、磁性細線に対して情報の記録を行ってもよい。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、磁性細線が記録素子および再生素子に挟まれるように形成されているので、セル面積を縮小することができ、記録密度を向上させることができる。また、磁性細線を記録素子および再生素子で挟むことにより、スピン注入による磁化反転技術を用いることが可能となり、情報記録媒体の微小化に伴う消費電力の増加を防ぐことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
［実施の形態１］
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一の部材には同一の参照番号を付すことで、その部材に関する説明は省略する。
【００４４】
図１は本実施の形態にかかる磁気メモリの記録／再生素子の概略図を示している。図１に示すように、本実施の形態にかかる記録／再生素子２００は、磁性細線１０１を、再生素子２００ａと、記録素子２００ｂとで挟み込んだ構成をとっている。
【００４５】
再生素子２００ａは、電極（第１の電極）２０１ａと、反強磁性体層２０２ａと、磁化が一方向に固定された磁化固定層（第１の強磁性体層）２０３ａと、中間層（第１の中間層）２０４ａと、磁化方向が可変な磁化自由層（第２の強磁性体層）２０５と磁化自由層２０５上に形成される保護層２０６と、電極（第２の電極）２０１ｂとが、磁性細線１０１の下部に積層されることにより形成されている。
【００４６】
また、記録素子２００ｂは、非磁性金属からなる中間層（第２の中間層）２０４ｂと、磁化が一方向に固定された磁化固定層（第３の強磁性体層）２０３ｂと、反強磁性体層２０２ｂと、電極（第４の電極）２０１ｃとが、磁性細線１０１の上部に積層されることにより形成されている。また、電極２０１ｂ（第３の電極）も、記録素子２００ｂを構成する一要素である。
【００４７】
なお、電極２０１ｂは、請求項における第２の電極および第３の電極のいずれにも対応する構成である。第２の電極および第３の電極を共通化することでセル面積の縮小ができるという観点から、第２の電極および第３の電極に対応する実施形態の構成は、電極２０１ｂの１つだけを記載している。しかしながら、第２の電極と、第３の電極とは、別個の構成とされていても構わない。
【００４８】
本実施の形態においては、再生素子２００ａ及び記録素子２００ｂに配置された電極２０１ａ〜２０１ｃ間に所望の電流を流すことにより、情報の記録及び再生を行う。尚、情報の記録及び再生方法については、後述する。
【００４９】
また、図１に示すように記録／再生素子２００の設置面積は、従来の磁気メモリの再生素子１個分の面積と等しい。そのため、磁性細線１０１底部の寸法は、図９に示した従来の磁気メモリよりも小さくすることが可能であり、単位セル面積を縮小し高密度に単位セルを形成することが可能となる。
【００５０】
尚、図１中の再生素子２００ａと記録素子２００ｂで示した部分とは、磁性細線１０１を挟み込むように形成されていればよく、再生素子２００ａと記録素子２００ｂとの上下関係は、上述したものと逆であっても構わない。
【００５１】
本実施の形態における記録／再生素子２００は、磁化固定層２０３ａ及び磁化固定層２０３ｂの磁化が、反強磁性体層２０２ａ及び２０２ｂによって一方向に固定され、磁化自由層２０５の磁化が反転可能とされている。また、反強磁性体層２０２ａ及び反強磁性体層２０２ｂによって、磁化固定層２０３ａ及び磁化固定層２０３ｂの磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料により磁化固定層を形成してもよい。
【００５２】
次に、本実施の形態における記録／再生素子２００の各要素を形成する材料について詳述する。
【００５３】
まず、磁化固定層２０３ａおよび磁化固定層２０３ｂと、磁化自由層２０５の材料としては、以下の（１）〜（３）のうちいずれかを用いることができる。
【００５４】
（１）Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、または、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ及びＣｒよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金
（２）「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、ＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料
（３）ホイスラー合金、ＣｒＯ２、Ｆｅ３Ｏ４、Ｌａ１―ＸＳｒＸＭｎＯ３などのハーフメタル磁性材料
磁化固定層２０３ａおよび磁化固定層２０３ｂ、磁化自由層２０５の材料としては、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。
【００５５】
また、これら磁性体層に用いる材料としては、連続的な磁性体、あるいは非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」などと称されるものを挙げることができる。
【００５６】
さらに、磁化自由層２０５の材料としては、［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）］からなる２層構造、あるいは［（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）／（ＮｉＦｅあるいはＮｉＦｅＣｏからなるパーマロイ合金あるいはＮｉ）／（ＣｏあるいはＣｏＦｅ合金）］からなる３層構造の積層体を用いることもできる。
【００５７】
一方、中間層２０４ａおよび中間層２０４ｂの材料としては、以下のものを用いることができる。
【００５８】
（１）Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕあるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金
（２）Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｓｉ及びＦｅよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、
（３）フッ化物からなる絶縁体
また、中間層２０４ａ・２０４ｂには、酸素等の異種元素が添加されていてもよい。
【００５９】
また、本実施の形態においては、磁化固定層２０３ａ・２０３ｂの磁化を、反強磁性体層２０２ａ・２０２ｂにより固定している。この場合に用いることができる反強磁性体の材料としては、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＩｒＭｎなどを用いることが望ましい。また、層間結合を使って固着させる際の中間層としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｕあるいはこれらのいずれか１種以上を含む合金が好ましい。
【００６０】
情報記録媒体である磁性細線１０１は、磁化、交換パラメータ、磁気異方性、ダンピング係数を適切に選択した強磁性、フェリ磁性を示す磁性材料であることが望ましい。これら磁性材料の代表的なものとしては、ＦｅＮｉ合金、ＣｏＦｅ合金、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏからなる合金、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏからなる合金にＢ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｒ、Ｐｄ、Ｐｔを添加した磁性材料がある。
【００６１】
また、本実施の形態にかかる磁気メモリ１００の構成要素は、ＭＲＡＭなどに用いられている多層膜の形成方法、エッチング方法などの半導体プロセスを用いてすべて製造することができる。
【００６２】
例えば、Ｓｉなどの基板上に、最初に電極２０１ａを成膜し、その後、反強磁性体層２０２ａ、磁化固定層２０３ａ、中間層２０４ａ、磁化自由層２０５、および保護層２０６をこの順で成膜する。より具体的には、Ｔａからなる電極２０１ａ（膜厚１０ｎｍ）を形成し、その上に、反強磁性体層２０２ａとしてＩｒＭｎ合金層（膜厚１０ｎｍ）を形成する。
【００６３】
さらにその上に、磁化固定層２０３ａとして、飽和磁化Ｂｓが約１Ｔの軟磁性体であるＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）を形成する。さらに、ＡｌＯｘ層（膜厚１．４ｎｍ）を中間層２０４ａとして形成し、その上に、磁化自由層２０５として飽和磁束密度２．３Ｔを有するＦｅＣｏＮｉ合金層（膜厚５ｎｍ）を形成する。次に、保護層２０６としてＴａ層を５ｎｍ成膜する。
【００６４】
その後、レジストを塗布し、所定の記録／再生素子２００の寸法（例えば、１００ｎｍ×１００ｎｍ）にパターニングして、イオンミリングを用いて電極２０１ａの表面までエッチングを行う。
【００６５】
電極２０１ａは、ＳｉＯｘ保護膜を成膜し、レジストを塗布して電極２０１ａの幅方向の寸法にパターニングを行った後、ＲＩＥエッチングにより加工する。その後、レジストを除去し、ＳｉＯｘからなる層間絶縁膜を成膜した後、エッチバックを行い、平坦化して保護層２０６のＴａ層の表面を露出させる。
【００６６】
その後、スパッタエッチングした後にＴａを電極２０１ｂ（１０ｎｍ）として成膜し、レジスト塗布、ＲＩＥ、レジスト除去のプロセスを順次実施し、電極２０１ｂを加工する。
【００６７】
次に、Ｓｉ３Ｎ４からなる絶縁膜を５０ｎｍ積層し平坦化処理を施した後、レジストを塗布し、記録／再生素子２００を形成している位置に、情報記録媒体である磁性細線１０１底部の寸法（例えば、１００ｎｍ×３００ｎｍ）のパターニングを行い、その箇所のＳｉ３Ｎ４をエッチングにより取り除く。更に、エッチングして取り除かれた部分に、磁性細線１０１の底部をなすようにＦｅＮｉ合金をＣＶＤにより充填し、レジストを取り除く。
【００６８】
次に、磁性細線１０１の底部をなすＦｅＮｉ合金の上に、中間層２０４ｂ、磁化固定層２０３ｂ、反強磁性体層２０２ｂ、および電極２０１ｃをこの順で成膜する。本実施の形態においては、Ｃｕからなる中間層２０４ｂ（膜厚５ｎｍ）を形成し、その上に、磁化固定層２０３ｂとして、飽和磁化Ｂｓが約１Ｔの軟磁性体であるＮｉＦｅ合金層（膜厚１０ｎｍ）を形成する。更に、反強磁性体層２０２ｂとして、ＩｒＭｎ合金層（膜厚１０ｎｍ）を形成する。
【００６９】
次に、レジストを塗布し、所定の記録／再生素子２００の寸法（例えば、１００ｎｍ×１００ｎｍ）にパターニングして、イオンミリングを用いて磁性細線１０１の表面までエッチングを行う。
【００７０】
その後、レジストを除去し、ＳｉＯｘからなる層間絶縁膜を成膜した後、エッチバックを行い、平坦化した後に、電極２０１ｂとしてＴａ（１０ｎｍ）を成膜し、レジスト塗布、ＲＩＥ、レジスト除去のプロセスを順次実施し、電極２０１ｃを加工する。
【００７１】
最後に、情報記録媒体である磁性細線１０１の基板に垂直と成る部分を形成する。これは、例えば０．５μｍ〜１０μｍのＳｉ３Ｎ４からなる絶縁膜を、上記で作製した記録／再生素子２００上に成膜し、これにトレンチと呼ばれる高アスペクト比の穴を形成した後に、その中に磁性材料を充填して作製する。
【００７２】
トレンチの寸法の一例としては、断面積１００ｎｍ×１００ｎｍであり、深さは０．５μｍ〜１０μｍである。上記寸法は、一例として示したものであり、この形状に限定されるものでない。また、トレンチの断面形状は円形でも四角形でも構わない。
【００７３】
トレンチの形成及び磁性材料の充填方法としては、例えば、ＤＲＡＭ製造プロセスにおいて使用されている半導体のエッチング方法を用いてトレンチを形成した後に、メッキ法を用いて磁性材料を充填する方法がある。
【００７４】
次に、本実施の形態における磁性細線１０１への情報の記録及び再生方法について述べる。
【００７５】
磁性細線１０１における所望の磁区に記録を行うためには、まず、記録を行うための磁区９０３の選択を行う。磁区９０３の選択は、図示しない電流供給手段から磁性細線１０１に電流９０１を流すことにより、情報が記録されている磁区９０３を区切る磁壁を移動させ、記録を行いたい磁区９０３を記録／再生素子２００が配置されている箇所に移動させることにより行う。なお、電流９０１はパルス電流であり、その方向・パルス数により、磁区９０３が移動する方向・距離を制御することができる。
【００７６】
図２は、本実施の形態における情報記録時のメカニズムを説明するための模式図である。図２においては、説明を分かりやすくするために、磁性細線１０１中において記録を行う磁区９０３の１つのみを記載し、磁性細線１０１のその他の部分については示していない。
【００７７】
まず、磁性細線１０１中の記録を行いたい磁区９０３を、記録／再生素子２００の位置に移動させる。その後、図示しない電流供給手段により、電極２０１ｂ→電極２０１ｃまたは電極２０１ｃ→電極２０１ｂいずれかの方向に電流９０２を流す。そして、この電流９０２により、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３の磁化を所定の方向に向け、情報記録媒体である磁性細線１０１に情報を磁気的に記録する。つまり、スピン偏極電流によって、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３の磁化を反転させる。
【００７８】
情報記録時のメカニズムについて図２を用いて更に詳細に説明する。
【００７９】
まず図２（ａ）に示すように、電極２０１ｂと電極２０１ｃとの間に電圧を印加し、電極２０１ｂから、情報記録媒体である磁性細線１０１、中間層２０４ｂ、磁化固定層２０３ｂ、反強磁性体層２０２ｂ、および電極２０１ｃへと電流９０２を流す。これにより、磁化固定層２０３ｂからスピン偏極した電子が磁性細線１０１の選択された磁区９０３に流入する。
【００８０】
つまり、磁化固定層２０３ｂを通過した電子は、磁化固定層２０３ｂの磁化方向と同じ方向の磁気モーメントを有するスピン（同図において右向き矢印を付している）を持ち、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３に流入する。このスピンの持つ角運動量が、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３に伝達され、磁区９０３中の局在する原子の磁気モーメントに作用し、その磁化を磁化固定層２０３ｂの磁化方向と同じ方向に反転させることができる。
【００８１】
これに対して、図２（ｂ）に示すように、電極２０１ｂと電極２０１ｃとの間に電圧を印加し、磁化固定層２０３ｂから磁性細線１０１中の選択された磁区９０３に（図２（ａ）と逆方向）向けて電流９０２を流すと、図２（ａ）に示す場合と磁化方向が逆になる。
【００８２】
すなわち、磁化固定層２０３ｂの磁化方向と同じ方向の磁気モーメント有するスピン（同図において右向き矢印を付している）を持つ電子は、磁化固定層２０３ｂを容易に通過できるのに対して、磁化固定層２０３ｂの磁化方向と逆方向の磁気モーメントを有するスピン（同図において左向き矢印を付している）を持つ電子は、非磁性金属膜からなる中間層２０４ｂと磁化固定層２０３ｂとの界面において高い確率で反射される。
【００８３】
その後、磁化固定層２０３ｂの磁化方向と逆方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、磁性細線１０１中の磁区９０３に戻る。そして、この電子は、磁区９０３の局在する原子の磁気モーメントに作用して、磁区９０３の磁化を磁化固定層２０３ｂの磁化と逆方向に反転させる。
【００８４】
このように、電極２０１ｂと電極２０１ｃとの間に流れる電流９０２の方向に応じて、磁性細線１０１中の磁区９０３の磁化方向を制御可能であるので、磁気記録が可能となる。また、磁性細線１０１中の他の磁区９０３においても同様に、磁性細線１０１に電流を流すことにより記録したい磁区９０３を記録／再生素子２００の位置に移動させるとともに、電極２０１ｂと電極２０１ｃとの間に流れる電流９０２の向きを制御することにより、磁区中の磁化方向を変化させて情報記録を行うことができる。
【００８５】
次に、磁性細線１０１に記録されている情報を再生する場合は、情報記録時と同様にして、磁性細線１０１に電流９０２を流すことにより、情報が記録されている磁区９０３を区切る磁壁を移動させ、再生を行いたい磁区を記録／再生素子２００が配置されている箇所に移動させる。
【００８６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施の形態における再生時のメカニズムを説明するための模式図である。図は、説明を分かりやすくするために、磁性細線１０１中において記録／再生素子２００の位置に移動した再生を行う磁区９０３の１つのみを記載し、磁性細線１０１のその他の部分については示していない。
【００８７】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように磁化固定層２０３ａと磁化自由層２０５との間には、絶縁膜からなる中間層２０４ａが設けられている。すなわち、この磁気ヘッドの磁化自由層２０５から磁化固定層２０３ａに電流が流れる場合の電気抵抗は、磁化自由層２０５の磁化と、磁化固定層２０３ａの磁化との相対的な方向に依存する。
【００８８】
ここで、磁化自由層２０５の磁化は、記録／再生素子２００の位置に移動した再生を行う磁区９０３に記録されている信号磁界を受けて、その方向に回転される。その磁化方向を、上述のように磁化自由層２０５と磁化固定層２０３ａとの相対的な方向に依存する電気抵抗の変化として検出することができる。
【００８９】
従って、磁性細線１０１中の再生を行いたい磁区９０３を記録／再生素子２００の位置に移動させた後、電極２０１ａと電極２０１ｂとの間に、図示しない電流供給手段により電流９０２を流し、電気抵抗の変化を検出する。これにより、再生を行いたい磁区９０３に記録されている磁化方向を検出することができ、情報を再生することが可能となる。
【００９０】
図３（ａ）および図３（ｂ）に示した具体例の場合、もし、磁化自由層２０５の磁化と磁化固定層２０２の磁化とが平行な場合（図３（ａ））の電気抵抗をＲｐ、反平行な場合（図３（ｂ））の電気抵抗をＲａｐとすると、Ｒａｐ＞Ｒｐとなる。
【００９１】
また、磁性細線１０１中の他の磁区９０３においても同様に、磁性細線１０１に電流９０２を流すことにより再生したい磁区９０３を記録／再生素子２００の位置に移動させ、上述した手法により再生を行うことができる。
【００９２】
以上のように、本実施の形態によれば、磁性細線を挟みこむように記録素子および再生素子を成形することにより、セル面積を縮小することができ、記録密度を向上させることができる。また、記録／再生素子においては、磁化反転を外部磁界で行う場合、素子の微小化によって必要磁界が増加する。しかしながら、スピン注入による磁化反転技術を用いると、電子の注入量が少なくてすむため、必要電流を減少できる。従って、スピン注入による磁化反転技術を用いることにより、情報記録媒体の微小化に伴う消費電力の増加を防ぐことが可能となる。
【００９３】
［実施の形態２］
図４は本実施の形態にかかる磁気メモリの記録／再生素子の概略図を示している。図４に示すように、本実施の形態にかかる記録／再生素子２００’は、磁性細線１０１を図４中の再生素子２００ａ’と記録素子２００ｂ’とで挟み込んだ構成をとっている。
【００９４】
図４の再生素子２００ａ’は、電極（第１の電極）２０１ａ’と、反強磁性体層２０２ａ’と、磁化が一方向に固定された磁化固定層（第１の強磁性体層）２０３ａ’と、中間層（第１の中間層）２０４ａ’とが、磁性細線１０１の下部に積層されることにより形成されている。また、図４の記録素子２００ｂ’は、上記再生素子２００ａ’の構成に加え、非磁性金属からなる中間層（第２の中間層）２０４ｂ’と、磁化が一方向に固定された磁化固定層（第２の強磁性体層）２０３ｂ’と、反強磁性体層２０２ｂ’と、電極（第２の電極）２０１ｃ’とが、磁性細線１０１の上部に積層されることにより形成されている。
【００９５】
本実施の形態においても、図４に示すように、記録／再生素子２００’の設置面積は、従来の磁気メモリの再生素子１個分の寸法である。そのため、磁性細線１０１底部の寸法は、図９に示した従来の磁気メモリよりも小さくすることが可能であり、単位セル面積を縮小し高密度に単位セルを形成することが可能となる。
【００９６】
尚、図４中の再生素子２００ａ’と記録素子２００ｂ’とは、磁性細線１０１を挟み込むように形成されていればよく、再生素子２００ａ’と記録素子２００ｂ’との上下関係は限定されるものではなく逆であっても構わない。
【００９７】
また、本実施の形態における記録／再生素子２００’の磁化固定層２０３ａ’・２０３ｂ’の磁化は、反強磁性体層２０２ａ’・２０２ｂ’によって一方向に固定され、それぞれ逆方向に向いている。また、反強磁性体層２０２ａ’・２０２ｂ’によって磁化固定層２０３ａ’・２０３ｂ’の磁化を固定する代わりに、磁化反転が起こりにくい硬磁性材料により磁化固定層を形成したものでもよい。
【００９８】
なお、本実施の形態における記録／再生素子の各要素を形成する材料については、実施の形態１の材料と同様である。
【００９９】
また、本実施の形態においても、ＭＲＡＭなどに用いられている多層膜の形成方法、エッチング方法などの半導体プロセスを用いてすべての構成要素を製造することができる。
【０１００】
例えば、Ｓｉなどの基板上に、電極２０１ａ’を成膜し、その後、反強磁性体層２０２ａ’、磁化固定層２０３ａ’、および中間層２０４ａ’をこの順で成膜する。本実施の形態においては、Ｔａからなる電極２０１ａ’（膜厚１０ｎｍ）を形成し、その上に、反強磁性体層２０２ａ’としてＰｔＭｎ合金層（膜厚１０ｎｍ）を形成する。さらにその上に、飽和磁化Ｂｓが約１ＴのＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）からなる軟磁性体により、磁化固定層２０３ａ’を形成する。さらに、Ｃｕ層（膜厚５ｎｍ）を中間層２０４ａ’として形成する。
【０１０１】
次に、実施の形態１において示した図１に示す磁気メモリに関して説明したものと同様の工程により、電極２０１ａ’、反強磁性体層２０２ａ’、磁化固定層２０３ａ’、および中間層２０４ａ’を所定の寸法に加工し、磁性細線１０１の底部を形成する。
【０１０２】
次に、磁性細線１０１であるＦｅＮｉ合金の上に、中間層２０４ｂ’、磁化固定層２０３ｂ’、反強磁性体層２０２ｂ’、および電極２０１ｃ’をこの順で成膜する。本実施の形態においては、Ｃｕからなる中間層２０４ｂ’（膜厚５ｎｍ）を形成し、その上に、飽和磁化Ｂｓが約１ＴのＮｉＦｅ合金層（膜厚５ｎｍ）からなる軟磁性体により、磁化固定層２０３ｂ’を形成する。さらに、反強磁性体層２０２ｂ’として、ＩｒＭｎ合金層（膜厚１０ｎｍ）を形成する。
【０１０３】
次に、基板面内に外部磁場を印加しながら熱処理を行う。すなわち、図４において右方向に１０ｋＯｅの外部磁界を印加しながら２７０℃で１０時間の加熱処理を行う。これにより、反強磁性体層（ＰｔＭｎ合金層）２０２ａ’に隣接した磁化固定層（軟磁性体のＮｉＦｅ合金層）２０３ａ’の磁化を、図面右方向に固定することができる。
【０１０４】
更に、図４において左方向に外部磁界を印加しながら、２００℃で１時間の熱処理を加える。これにより、反強磁性体層（ＩｒＭｎ合金層）２０２ｂ’に隣接した磁化固定層（軟磁性体のＮｉＦｅ合金層）２０３ｂ’の磁化を、図面左方向に固定することができる。
【０１０５】
次に、レジストを所定の記録／再生素子２００’の寸法（例えば、１００ｎｍ×１００ｎｍ）にパターニングして、イオンミリングを用いて磁性細線１０１の表面に対してエッチングを行う。
【０１０６】
その後、レジストを除去し、ＳｉＯｘからなる層間絶縁膜を成膜した後、エッチバックを行って平坦化する。その後、電極２０１ｃ’としてＴａ（１０ｎｍ）を成膜し、レジスト塗布、ＲＩＥ、レジスト除去のプロセスを順次実施し、電極２０１ｃ’を加工する。
【０１０７】
最後に、実施の形態１における磁気メモリに関して説明したものと同様の工程により、情報記録媒体である磁性細線１０１の基板に垂直と成る部分を形成する。
【０１０８】
次に、本実施の形態の磁気メモリにおける磁性細線１０１への情報の記録再生方法について述べる。
【０１０９】
磁性細線１０１の所望の磁区９０３に記録を行うためには、最初に記録を行うための磁区９０３の選択を行う。磁区９０３の選択は、図示しない電流供給手段から磁性細線１０１に電流９０１を流すことにより、情報が記録されている磁区９０３を区切る磁壁を移動させ、記録を行いたい磁区９０３を記録／再生素子２００’が配置されている箇所に移動させることにより行う。なお、電流９０１はパルス電流であり、その方向・パルス数により、磁壁が移動する方向・距離を制御することができる。
【０１１０】
図５は、本実施の形態における情報記録時のメカニズムを説明するための図である。なお、図５においては、説明を分かりやすくするために、磁性細線１０１中において記録を行う磁区９０３の１つのみを記載し、磁性細線１０１のその他の部分については示していない。
【０１１１】
まず、磁性細線１０１中の記録を行いたい磁区９０３を、記録／再生素子２００’の位置に移動させた後、２つの磁化固定層２０３ａ’・２０３ｂ’の界面を横切るように、電極２０１ａ’と電極２０１ｃ’との間に、図示しない電流供給手段により電流９０２を流す。これにより、磁性細線１０１中の磁区の磁化方向を制御する。
【０１１２】
ここで、図５（ａ）は、電極２０１ａ’と電極２０１ｃ’との間に電圧を印加し、電極２０１ａ’から、反強磁性体層２０２ａ’、磁化固定層２０３ａ’、および中間層２０４ａ’を介して情報記録媒体である磁性細線１０１の方向に電流９０２を流した場合の図である。このように電流９０２を流すことにより、磁化固定層２０３ｂ’を通過した電子は、磁化固定層２０３ｂ’の磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピン（同図においては右向き）をもつようになる。このようなスピンを有する電子が磁性細線１０１中の選択された磁区９０３へ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性細線中の磁区９０３へ伝達され、磁区９０３中の局在する原子の磁化に作用する。
【０１１３】
一方、もう一つの磁化固定層２０３ａ’の磁化方向は、磁化固定層２０３ｂ’の磁化とは逆向きである。このため、電子の流れが磁化固定層２０３ａ’へ入る界面において、磁化固定層２０３ｂ’の磁化と同方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、磁化固定層２０３ａ’に接した中間層２０４ａ’で反射される。この反射されたスピンは、やはり磁性細線１０１中の選択された磁区９０３中の磁化に作用する。
【０１１４】
すなわち、磁化固定層２０３ｂ’を通過してきた電子は、中間層２０４ｂ’で反射された後、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３中の磁化に再び作用するため、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３に対する書き込みを、実施の形態１に記した書き込み方法よりも小さい電流値で実施できることになる。
【０１１５】
また、図５（ｂ）は、電極２０１ａ’と電極２０１ｃ’との間に電圧を印加し、電極２０１ｃ’から、反強磁性体層２０２ｂ’、磁化固定層２０３ｂ’、および中間層２０４ｂ’を介して情報記録媒体である磁性細線１０１の方向に電流９０２を流した場合を示す図である。
【０１１６】
この場合には、電流９０２を構成する電子は、まず、磁化固定層２０３ａ’の磁化の作用を受けて、磁化固定層２０３ａ’の磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピン（同図において左向き）を持つ。この磁化固定層２０３ａ’の磁化と同じ方向の磁気モーメントを有するスピンを持つ電子は、磁性細線１０１中の選択された磁区９０３の磁化に作用する。さらに、磁化固定層２０３ａ’の磁化と同じ方向のスピンをもつ電子は、それとは逆向きの磁化を有する磁化固定層２０３ｂ’と中間層２０４ｂ’の界面において反射されて、再び、磁性細線１０１中の選択された磁区の磁化に作用する。
【０１１７】
以上説明したように、本実施の形態によれば、２つの磁化固定層２０３ａ’・２０３ｂ’の磁化を反平行に設定することにより、磁化固定層を通過した電子のスピンがもつ角運動量を、磁性細線１０１中の磁区の磁化に効率的に作用させることができる。その結果として、情報記録時に必要となる電流値を低減することが可能となる。
【０１１８】
次に、磁性細線１０１に記録されている情報を再生する場合は、情報記録時と同様にして、磁性細線１０１に電流９０１を流すことにより、情報が記録されている磁区９０３を区切る磁壁を移動させ、再生を行いたい磁区９０３を記録／再生素子２００’が配置されている箇所に移動させる。
【０１１９】
図６は、本実施の形態における再生時のメカニズムを説明するための図である。なお、図は、説明を分かりやすくするために、磁性細線１０１中において記録／再生素子２００’の位置に移動した再生を行う磁区９０３の１つのみを記載し、磁性細線１０１のその他の部分については示していない。
【０１２０】
図６に示すように、本実施の形態における記録／再生素子２００’においては、磁化固定層２０３ａ’と磁性細線１０１中の磁区９０３との間に非磁性金属からなる中間層２０４ａ’が設けられている。すなわち、磁化固定層２０３ａ’から磁性細線１０１中の磁区９０３に電流が流れる場合の電気抵抗は、磁化固定層２０３ａ’と磁区９０３との磁化の相対的な方向に依存する。
【０１２１】
従って、磁性細線１０１中の再生を行いたい磁区９０３を記録／再生素子２００’の位置に移動させた後、図示しない電流供給手段により、電極２０１ａ’と磁性細線１０１との間に電流を流して電気抵抗の変化を検出すれば、再生を行いたい磁区に記録されている磁化方向を検出することができる。これにより、情報を再生することが可能となる。
【０１２２】
尚、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【０１２３】
［補足１．従来のスピン注入磁化反転技術との差異］
上述した各実施形態に記載したとおり、記録／再生素子に採用されているスピン注入磁化反転技術は、上述した特許文献５に記載されたスピン注入磁化反転技術とは、種々の点において異なるものである。以下、具体的に説明する。
【０１２４】
まず、特許文献５に記載されたスピン注入磁化反転技術は、磁気ディスクを読み取る磁気ヘッドに用いられる技術であるのに対して、上述した各実施形態に記載されたスピン注入磁化反転技術は、磁気メモリに用いられるという点において、利用分野が相違している。
【０１２５】
すなわち、特許文献５に記載された磁気ディスクでは、図７に示すように、回転している情報記録媒体Ｒ上を記録素子（ＥＬ１，２，Ｂ１，２，Ａ，Ｃ）が移動して、磁区内の磁気モーメントの方向が設定されていく。そして、この磁気モーメントの方向を設定するにあたり、記録素子と磁気ディスクとの間でスピン注入が行われる。
【０１２６】
しかしながら、このようにスピン注入を行うと、記録素子を情報記録媒体上で移動させ、且つ、記録素子から情報記録媒体へ電流を流す必要があるため、情報記録媒体と記録素子との間の距離を制御することが非常に困難になる。なぜなら、記録素子を移動させる場合、ディスクを傷つけないよう、情報記録媒体と記録素子とは接触しないようにしなければならないからである。さらに、情報記録媒体と記録素子との間に電流を流して情報を記録する場合は、情報記録媒体と記録素子とは接触させなければならない。
【０１２７】
しかしながら、上述の実施形態に記載された記録／再生素子では、記録素子を移動させることなく、情報記録媒体としての磁性細線に情報を書き込むことができる。これは、磁壁を電流によって移動させることで、情報が記録されている磁区を、記録素子の位置に移動させるからである。従って、磁性細線と記録素子とを常に接触させることが可能となる。また、記録素子を移動させる必要が無いため、磁気ディスクの回転機構や、記録素子をトラックに移動させるような駆動機構も不要になる。
【０１２８】
さらに、上述した実施形態における記録／再生素子に用いられるスピン注入磁化反転技術は、特許文献５に記載されたものと、スピン偏極した電流の流れる経路が異なる。つまり、図７における破線矢印で示すように、特許文献５に記載された磁気ヘッドに用いられるスピン注入磁化反転技術においては、電極ＥＬ２から供給された電子が、固定層Ｃの磁化方向Ｍ２のスピンを持って、自由層Ａの磁気モーメントの方向を設定する。
【０１２９】
次に、磁気モーメントの方向が設定された自由層Ａから、一部の電子が記録層ＲＬの方に流れていき、残りの電子は、電極ＥＬ１に流れていく。すると、設定された自由層Ａの磁気モーメントの方向のスピンを持った電子によって、情報記録媒体の磁気モーメントの方向が設定される。
【０１３０】
つまり、特許文献５に記載されたスピン注入磁化反転技術では、情報記録媒体の磁化方向が決定されるまでに、自由層Ａの磁気モーメントの方向を設定し、その後に情報記録媒体の磁気モーメントの方向を設定するというように、２段階のステップが実行される。また、特許文献５では、図７に示すとおり、電子の流れが自由層Ａの部分で２つに分かれるため、媒体に流れ込む電子の数は、電極ＥＬ２より供給した電子の一部ということになる。
【０１３１】
これに対して、本実施形態の記録／再生素子では、磁性細線１０１に磁化固定層２０３ｂ（２０３ｂ’）から直接電子を流して、磁気モーメントの方向を設定している。記録／再生素子に流すすべての電子が、磁性細線１０１中のスピンと相互作用するために、効率よくスピン注入による磁気モーメントの方向の設定ができる。
【０１３２】
［補足２．本発明の変更例］
なお、本発明の磁気メモリは、情報記録媒体である磁性細線と、上記磁性細線に記録及び再生を行うための記録/再生素子とから単位セルが構成され、上記単位セル中の上記磁性細線が電気的に直列接続された磁性細線列を複数もつメモリチップとし、磁気情報の記録又は再生時に、直列に接続された上記磁性細線に電流を供給する電源により、上記磁性細線に記録された磁区間に形成される磁壁を電流によって移動させ、磁気情報の記録及び再生を行う磁気メモリにおいて、上記記録/再生素子が上記磁性細線を挟んで一体型となって配置することができる構成、例えば、上記記録/再生素子は、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、磁化方向が可変の第２の強磁性体層と、第２の電極と、が順に形成されており、更に、情報記録媒体である磁性細線を介して、第２の中間層と、磁化方向が固定された第３の強磁性体層と、第３の電極と、が順に形成された構造であってもよい。
【０１３３】
さらに、上記記録/再生素子の上記第２の電極は、記録再生動作を行う上で共通の電極となっていることが好ましい。
【０１３４】
特に、上記第１の電極と上記第１の強磁性体層の間、もしくは、上記第３の電極と上記第３の強磁性体層の間の少なくともいずれかに、反強磁性体層を配置することにより、上記第１の強磁性体層もしくは上記第３の強磁性体層の磁化方向を固定することができる。
【０１３５】
また、本発明の情報再生方法は、上記磁性細線に電流を流すことによって生じる磁化方向の変化を、上記第２の強磁性体層の上記磁化方向の変化による上記第１の強磁性体層の上記磁化方向と上記第２の強磁性体層の上記磁化方向の相対的な関係に応じて決定される上記第１及び第２の強磁性体層の間の電気抵抗の変化として、上記第１及び第２の電極で検出することにより、上記磁性細線に記録された情報を読み取ること方法であってもよい。
【０１３６】
さらに、本発明の情報記録方法は、上記磁性細線に電流を流して磁壁移動させると同時に、上記第２及び第３の電極間に電圧を印加して上記第３の強磁性体層と磁性細線の間に電流を流し、スピン偏極した電子を上記磁性細線に作用させることにより、上記磁性細線の磁化方向を決定して情報を記録する方法であってもよい。
【０１３７】
また、本発明の情報記録方法は、上記磁性細線の上記磁化方向を上記第３の強磁性体層の磁化方向と同一にするために、上記磁性細線から上記第３の強磁性体層に電流を流す一方、上記磁性細線の上記磁化方向を上記第３の強磁性体層の磁化方向とは反対の方向にするために、上記第３の強磁性層から上記磁性細線に電流を流す方法であってもよい。
【０１３８】
さらに、本発明における磁気メモリの記録/再生素子は、第１の電極と、磁化方向が固定された第１の強磁性体層と、第１の中間層と、が順に形成されており、更に、情報記録媒体である磁性細線を介して、第２の中間層と、磁化方向が固定された第２の強磁性体層と、第２の電極と、が順に形成された構造であってもよい。
【０１３９】
好ましくは、上記第１の強磁性体層と上記第２の強磁性体層の磁化方向を逆向きに固定する。
【０１４０】
より好ましくは、上記第１の電極と上記第１の強磁性体層の間もしくは、上記第２の電極と上記第２の強磁性体層の間の少なくともいずれかに、反強磁性体層を配置することにより、上記第１の強磁性体層もしくは上記第３の強磁性体層の磁化方向を固定する。
【０１４１】
また、本発明の情報再生方法は、上記磁性細線に電流を流すことによって生じる磁化方向の変化を、上記第１の強磁性体層の上記磁化方向と上記磁性細線の磁化方向の相対的な関係に応じて決定される上記第１及び上記磁性細線の間の電気抵抗の変化として、上記第１の電極及び上記磁性細線間に電流を流して検出することにより、上記磁性細線に記録された情報を読み取る方法であってもよい。
【０１４２】
さらに、本発明における情報記録方法は、上記磁性細線に電流を流して磁壁移動させると同時に、上記第１及び第２の電極間に電圧を印加して上記第１の強磁性体層と上記磁性細線と上記第２の強磁性層に電流を流し、スピン偏極した電子を上記磁性細線に作用させることにより、上記磁性細線の磁化方向を決定して情報を記録する方法であってもよい。
【０１４３】
また、上記構成の情報記録方法において、上記磁性細線の上記磁化方向を上記第１の強磁性体層の磁化方向と同一にするために、上記磁性細線から上記第１の強磁性体層に電流を流し、上記磁性細線の上記磁化方向は上記第２の強磁性体層の磁化方向と同一にするために、上記磁性細線から上記第２の強磁性体層に電流を流すようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明によれば、記録密度を向上させることができ、さらに、情報記録媒体の微小化に伴う消費電力の増加を防ぐことが可能となる。したがって、ＭＲＴＭが、すべての不揮発性メモリを置き換えるようなユニバーサルメモリとして用いられる可能性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４５】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気メモリに用いられる記録素子および再生素子の構成を示す図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、図１の記録素子および再生素子における情報記録時のメカニズムを説明するための図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図１の記録素子および再生素子における情報再生時のメカニズムを説明するための図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る磁気メモリに用いられる記録素子および再生素子の構成を示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、図４の記録素子および再生素子における情報記録時のメカニズムを説明するための図である。
【図６】図４の記録素子および再生素子における情報再生時のメカニズムを説明するための図である。
【図７】特許文献５に記載されたスピン注入磁化反転技術を説明するための図である。
【図８】特許文献１および２に記載されているＭＲＴＭの単位セルの構成を示す図である。
【図９】特許文献１および２に記載されているＭＲＴＭの記録及び再生方法を説明するための図である。
【図１０】スピン注入磁化反転技術を説明するための図である。
【符号の説明】
【０１４６】
１０１    磁性細線
２００ａ・２００ａ’    再生素子
２００ｂ・２００ｂ’    記録素子
９０３    磁区
２０１ａ    電極（第１の電極）
２０１ａ’  電極（第１の電極）
２０３ａ    磁化固定層（第１の強磁性体層）
２０３ａ’  磁化固定層（第１の強磁性体層）
２０４ａ    中間層（第１の中間層）
２０４ａ’    中間層（第１の中間層）
２０５    磁化自由層（第２の強磁性体層）
２０１ｂ    電極（第２の電極、第３の電極）
２０２ａ・２０２ａ’    反強磁性体層
２０４ｂ    中間層（第２の中間層）
２０４ｂ’    中間層（第２の中間層）
２０３ｂ    磁化固定層（第３の強磁性体層）
２０３ｂ’    磁化固定層（第２の強磁性体層）
２０１ｃ    電極（第４の電極）
２０１ｃ’  電極（第２の電極）
２０２ｂ・２０２ｂ’    反強磁性体層
【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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