(57)【要約】      （修正有）【課題】より高密度に磁性部を設けることを可能とする磁気記憶素子および磁気メモリを提供する。【解決手段】磁気メモリは、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、第３の磁性部３０３、読み出し書き込み部２０３、第１の電極１０１、第２の電極１０２、第３の電極１０３、第１の電流源１５１、および第２の電流源１５２を備える。第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２は、第１の方向に延び、第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有する。第３の磁性部３０３は、第１の方向と交差する第２の方向に磁化容易軸を有する。第１の電流源１５１は、第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、の間に、電流を流す。第２の電流源１５２は、第１の電極１０１と第２の電極１０２との間に電流を流す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
前記第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する第２の方向に磁化容易軸を有する第３の磁性部と、
前記第３の磁性部に接続された非磁性層と、前記非磁性層に接続された磁化固着層と、を含む読み出し書き込み部と、
前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し書き込み部に接続された第３の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流す第１の電流源と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電流を流す第２の電流源と、
を備えた磁気記憶素子。
【請求項２】
前記第１の方向から見た場合において、前記第３の磁性部の面積は、前記磁化固着層の面積と等しい、あるいは前記磁化固着層の面積より小さい請求項１記載の磁気記憶素子。
【請求項３】
前記第１の方向から見た場合において、前記第１の磁性部および前記第２の磁性部は、前記磁化固着層と重なっている請求項１または２に記載の磁気記憶素子。
【請求項４】
前記第１の磁性部および前記第２の磁性部は、前記第１の方向と直交する方向に磁化容易軸を有し、
前記第２の方向は前記第１の方向と直交する方向である請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項５】
前記第３の磁性部の前記第２の方向における寸法が２００ｎｍ以下である請求項１〜４のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項６】
前記第３の磁性部は、単磁区構造を有する請求項１〜５のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項７】
前記第１の磁性部および前記第２の磁性部は、コバルト、マンガン、クロム、希土類元素よりなる群から選択された少なくとも一つを含む磁性合金を含む請求項１〜６のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項８】
前記第３の磁性部の磁化は、前記第１の磁性部の磁化および前記第２の磁性部の磁化より小さい請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項９】
前記第１の磁性部および前記第２の磁性部は、ＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法により成膜された請求項１〜８のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１０】
前記第３の磁性部は、前記第２の方向に延びている請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１１】
前記第１の磁性部および前記第２の磁性部は、前記第１の方向において、周期的に、前記第２の方向の寸法が狭い部分を有する請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１２】
前記第１の磁性部と前記第３の磁性部との接続面の面積は、前記第１の磁性部の前記第１の方向と直交する面における断面積よりも小さく、
前記第２の磁性部と前記第３の磁性部との接続面の面積は、前記第２の磁性部の前記第１の方向と直交する面における断面積よりも小さい請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１３】
前記第１の磁性部および前記第２の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第４の磁性部であって、前記第１の方向の一端が前記第３の磁性部に接続された第４の磁性部と、
前記第１の磁性部、前記第２の磁性部、および前記第３の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第５の磁性部であって、前記第１の方向の一端が前記第３の磁性部に接続された第５の磁性部と、
前記第４の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第４の電極と、
前記第５の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第５の電極と、
をさらに備えた請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気記憶素子。
【請求項１４】
第１方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
前記第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する方向に延びた第３の磁性部と、
前記第３の磁性部に接続された非磁性層と、前記非磁性層に接続された磁化固着層と、を含む読み出し書き込み部と、
前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し書き込み部に接続された第３の電極と、
前記第１の磁性部と前記第２の磁性部の間以外に設けられ、前記第３の磁性部に接続された第４の電極と、
前記第１の電極と、前記第４の電極と、の間に、部前記第１の磁性部の磁化方向の読み出し及び書き込みを行う電流を流す第１の電流源と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に、前記第１の磁性部と前記第２の磁性部の磁区を移動させる電流を流す第２の電流源と、
を備えた磁気記憶素子。
【請求項１５】
前記第４の電極は、前記第１の磁性部の、前記第１の磁性部と前記第３の磁性部との接続部付近、および、前記第２の磁性部の、前記第２の磁性部と前記第３の磁性部との接続部付近の両方に接するように設けられた請求項１４記載の磁気記憶素子。
【請求項１６】
複数の、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の磁気記憶素子と、
各々が、対応する前記第３の電極に接続された、複数の第１のビット線と、
複数の第１のトランジスタであって、各々のゲートが対応する第１のワード線に接続され、各々の前記ゲート以外の一方の端子が、対応する前記第１の電極に接続され、各々の前記ゲート以外の他方の端子が、対応する第２のビット線に接続された、複数の第１のトランジスタと、
複数の第２のトランジスタであって、各々のゲートが対応する第２のワード線に接続され、各々の前記ゲート以外の一方の端子が、対応する前記第２の電極に接続され、各々の前記ゲート以外の他方の端子が、対応する第３のビット線に接続された、複数の第２のトランジスタと、
を備えた磁気メモリ。
【請求項１７】
複数の、請求項１４または１５に記載の磁気記憶素子と、
各々が、対応する前記第３の電極に接続された、複数の第１のビット線と、
各々が、対応する前記第４の電極に接続された、複数の第４のビット線と、
複数の第１のトランジスタであって、各々のゲートが対応する第１のワード線に接続され、各々の前記ゲート以外の一方の端子が、対応する前記第１の電極に接続され、各々の前記ゲート以外の他方の端子が、対応する第２のビット線に接続された、複数の第１のトランジスタと、
複数の第２のトランジスタであって、各々のゲートが対応する第２のワード線に接続され、各々の前記ゲート以外の一方の端子が、対応する前記第２の電極に接続され、各々の前記ゲート以外の他方の端子が、対応する第３のビット線に接続された、複数の第２のトランジスタと、
を備えた磁気メモリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気記憶素子および磁気メモリに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、メモリを大容量化させる方法として、電流による磁壁の移動を利用した、磁壁移動型の磁気記憶素子が提案されている。磁壁移動型の磁気記憶素子では、選択素子および配線は基板面内方向に沿って配置され、情報が記憶される磁性部は基板法線方向に配置される。磁性部を基板法線方向に配置することで、記憶容量の高密度化を達成しつつ、コストの増加を抑制することが可能となる。
【０００３】
しかしながら、磁壁移動型の磁気記憶素子においては、さらなる記憶容量の向上のために、より高密度に磁性部を設ける技術が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６８３４００５号明細書
【特許文献２】米国特許第６９５５９２６号明細書
【特許文献３】米国特許第７７９６４１５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、より高密度に磁性部を設けることを可能とする磁気記憶素子および磁気メモリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態の磁気メモリは、第１の磁性部と、第２の磁性部と、第３の磁性部と、読み出し書き込み部と、第１の電極と、第２の電極と、第３の電極と、第１の電流源と、第２の電流源と、を備える。
第１の磁性部は、第１の方向に延び、第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有する。第１の磁性部は、第１の方向に複数の磁区を保持可能である。
第２の磁性部は、第１の磁性部と離間して設けられ、第１の方向に延び、第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有する。第２の磁性部は、第１の方向に複数の磁区を保持可能である。
第３の磁性部は、第１の磁性部の第１の方向の一端および第２の磁性部の第１の方向の一端と接続され、第１の方向と交差する第２の方向に磁化容易軸を有する。
読み出し書き込み部は、第３の磁性部に接続された非磁性層と、非磁性層に接続された磁化固着層と、を含む。
第１の電極は、第１の磁性部の、第１の方向の他端に接続されている。
第２の電極は、第２の磁性部の、第１の方向の他端に接続されている。
第３の電極は、読み出し書き込み部に接続されている。
第１の電流源は、第１の電極および第２の電極の少なくとも一方と、第３の電極と、の間に電流を流す。
第２の電流源は、第１の電極と第２の電極との間に電流を流す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図。
【図２】第１実施形態に係る磁気記憶素子の動作を説明するための模式図。
【図３】第１実施形態に係る磁気記憶素子の動作を説明するための模式図。
【図４】第１実施形態に係る磁気記憶素子の製造工程を表す工程断面図。
【図５】第１実施形態に係る磁気記憶素子の製造工程を表す工程断面図。
【図６】第２実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図。
【図７】第２実施形態に係る磁気記憶素子の製造工程を表す工程断面図。
【図８】第２実施形態に係る磁気記憶素子の製造工程を表す工程断面図。
【図９】第３実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図。
【図１０】第４実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図。
【図１１】第５実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図。
【図１２】第５実施形態に係る磁気記憶素子の変形例の斜視図。
【図１３】第６実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図。
【図１４】第７実施形態に係る磁気メモリの模式図。
【図１５】第８実施形態に係る磁気メモリの模式図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、本発明の各実施形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
各実施形態の説明において、「上」または「下」という言葉を用いるが、これらは絶対的な位置関係を意味するものではなく、相対的な位置関係を意味している。
一部の図面では、磁性材料を含む構成要素に矢印を付して表し、その磁化方向を例示している。
各実施形態の説明において、２つの方向が互いに平行であり、同じ方向を向いている状態を「平行」、２つの方向が互いに平行であり、反対の方向を向いている状態を「反平行」と称する。
各実施形態の説明において、Ｘ軸方向とＹ軸方向は、Ｚ軸方向と交差する方向である。以下の各実施形態の説明では、一例として、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向が、互いに直交する方向である場合について説明する。
Ｘ軸方向は、Ｘ方向（第２方向）と−Ｘ方向を含む。Ｙ軸方向は、Ｙ方向（第３方向）と−Ｙ方向を含む。Ｚ軸方向は、Ｚ方向（第１方向）と−Ｚ方向を含む。
【０００９】
（第１実施形態）
第１実施形態に係る磁気記憶素子１を、図１を用いて説明する。
図１は、第１実施形態に係る磁気記憶素子の斜視図である。
磁気記憶素子１は、第１の磁性部３０１と、第２の磁性部３０２と、第３の磁性部３０３と、読み出し書き込み部２０３と、第１の電極１０１と、第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、第１の電流源１５１と、第２の電流源１５２と、を備える。
【００１０】
第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、Ｚ軸方向に延びている。第１の磁性部３０１のＺ軸方向の一端は、第３の磁性部３０３に接続されている。第１の磁性部３０１のＺ軸方向の他端は、第１の電極１０１に接続されている。第２の磁性部３０２のＺ軸方向の一端は、第３の磁性部３０３に接続されている。第２の磁性部３０２のＺ軸方向の他端は、第２の電極１０２に接続されている。第１の磁性部３０１は、第２の磁性部３０２と離間して設けられている。第１の磁性部３０１は、例えば、第３の磁性部３０３の下面の、Ｘ軸方向の一端に接続されている。第２の磁性部３０２は、例えば、第３の磁性部３０３の下面の、Ｘ軸方向の他端に接続されている。第１の磁性部３０１は、Ｚ軸方向において複数の磁区を保持可能である。第２の磁性部３０２は、Ｚ軸方向において複数の磁区を保持可能である。第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、Ｚ軸方向と交差する方向に磁化容易軸を有する。好ましくは、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、Ｚ軸方向と直交する方向に磁化容易軸を有する。
【００１１】
読み出し書き込み部２０３は、磁化固着層２０１と、非磁性層２０２と、を含む。第３の電極１０３は、第３の電極１０３の下部に設けられた磁化固着層２０１に接続されている。磁化固着層２０１は、磁化固着層２０１の下部に設けられたに非磁性層２０２に接続されている。
【００１２】
読み出し書き込み部２０３は、磁化固着層２０１の下部に設けられた第３の磁性部３０３に接続されている。第３の磁性部３０３は、例えば、Ｚ軸方向と交差するＸ軸方向に延びている。第３の磁性部３０３の磁化容易軸の方向は、例えば、Ｘ軸方向である。第３の磁性部３０３の磁化容易軸の方向は、読み出し書き込み部２０３と第３の磁性部３０３の接続面と平行な方向でありうる。
磁化固着層２０１、非磁性層２０２、および第３の磁性部３０３は、例えば、図１のＺ軸方向に積層された薄膜である。
以下において、面内方向に磁化容易軸を有する磁性膜を、面内磁化膜と称する。
【００１３】
第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、例えば、Ｙ軸方向およびＺ軸方向を含む面（以下、Ｙ−Ｚ面という）に堆積された層である。第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、体積された層の面内方向に対して垂直な方向（Ｘ軸方向）に磁化容易軸を有する。第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２の、Ｚ軸方向と直交する方向における断面は、例えば、長方形であるが、他の形状であってもよい。以下において、面内方向に対して垂直な方向に磁化容易軸を有する磁性膜を、垂直磁化膜と称する。
第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３の磁化容易軸は、互いに平行であることが好ましい。
【００１４】
第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、は、第１の電流源１５１に接続される。第１の電流源１５１は、第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、の間に電流を流すことで、第３の磁性部３０３に対して磁化情報の読み出しや書き込みを行う。
【００１５】
第１の電極１０１と第２の電極１０２は、第２の電流源１５２に接続される。第２の電流源１５２は、第１の電極１０１と第２の電極１０２の間に電流を流すことで、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２に含まれる磁区（磁壁）を移動させる。
これらの各構成要素は、例えば、基板４００上に形成される。
【００１６】
（メモリ動作）
第１実施形態に係る磁気記憶素子１の磁区のシフト動作について図２を用いて説明する。
図２は、第１実施形態に係る磁気記憶素子における、磁区のシフト動作を説明するための模式図である。
【００１７】
連続的に接続された第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３において、接続方向に、複数の磁区が含まれる。例えば、各磁性部には、Ｘ方向に磁化した磁区５０１と、Ｘ方向と反対の方向に磁化した磁区５０２と、が存在する。それぞれの磁区の磁化方向を、”０”あるいは”１”と対応付けることで、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３を記憶部として機能させることができる。磁壁５０３は、”０”の磁区と、”１”の磁区と、の境界に存在する。
【００１８】
第２の電流源１５２により、第１の電極１０１と第２の電極１０２の間に電流を流すと、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３に含まれる複数の磁区が移動する。これを利用して、記録再生したい磁気ビット（磁区）を、読み出し書き込み部２０３の直下の位置（すなわち第３の磁性部３０３）に移動させる。
なお、磁気ビットの移動方向は、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２の材料や膜構成によって、電流に対して同方向および逆方向のいずれにも調整することができる。
【００１９】
第１の磁性部３０１と第３の磁性部３０３の接続部は、屈曲している。同様に、第２の磁性部３０２と第３の磁性部３０３の接続部は、屈曲している。第３の磁性部３０３が垂直磁化膜である場合、これらの接続部において、磁化容易軸も９０度屈曲しているため、磁壁が接続部を通過するために必要なエネルギーが大きい。このため、磁壁が接続部を通過する際に、第１の磁性部３０１内および第２の磁性部３０２内を磁壁が移動するときに比べて、磁壁を移動させるために要する電流が大きい。
【００２０】
これに対して、本実施形態では、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、Ｚ軸方向に延びた垂直磁化膜であり、かつ、第３の磁性部３０３は、Ｚ軸方向と交差する方向に延びた面内磁化膜である。この場合、接続部において、磁化容易軸の方向が変化しないため、第１の磁性部３０１〜第３の磁性部３０３が垂直磁化膜である場合に比べて、磁壁が接続部を通過するために必要なエネルギーが小さい。このため、屈曲した接続部においても、低い電流で磁壁を移動させることができる。
屈曲部における磁壁のエネルギーは、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３の磁化容易軸方向が同じである場合に最も小さくなる。このため、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３の磁化容易軸方向は、同じ方向であることが好ましい。
【００２１】
次に、第１実施形態に係る磁気記憶素子１の書き込み動作および読み出し動作について図３を用いて説明する。
図３は、第１実施形態に係る磁気記憶素子１における、磁気情報の書き込み動作および読み出し動作を説明するための模式図である。
【００２２】
まず、第３の磁性部３０３に対して、磁化固着層２０１の磁化方向と同方向の磁気ビットの書き込みを行う場合について説明する。この場合、第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方から、第３の電極１０３へ電流を流す。ここでは一例として、図３のように、第１の電極１０１および第２の電極１０２の両方から、第３の電極１０３へ電流を流す場合を考える。電子は電流と逆向きに流れるので、電子の一部は、第３の電極１０３から第１の電極１０１へ、磁化固着層２０１、非磁性層２０２、第３の磁性部３０３、および第１の磁性部３０１を通って流れる。電子の他の一部は、第３の電極１０３から第２の電極１０２へ、磁化固着層２０１、非磁性層２０２、第３の磁性部３０３、および第１の磁性部３０１を通って流れる。
【００２３】
電子は、磁化固着層２０１を通過する際に、スピン偏極される。このスピン偏極された電子は、非磁性層２０２を通って第３の磁性部３０３の書き込みを行うべき領域に流れる。書き込みを行うべき領域と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、書き込み行うべき領域を通過する。しかし、書き込みを行うべき領域の磁化方向と異なる方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、書き込みを行うべき領域の磁化にスピントルクを与える。書き込みを行うべき領域の磁化に対して与えられたスピントルクは、書き込みを行うべき領域の磁化方向が、磁化固着層２０１の磁化方向と同じ方向を向くように働く。
すなわち、磁化固着層２０１の磁化方向と、書き込みを行うべき領域の磁化方向と、が同じ場合は、スピン偏極された電子は、書き込みを行うべき領域にスピントルクを与えずに通過する。一方で、磁化固着層２０１の磁化方向と、書き込みを行うべき領域の磁化方向と、が異なる場合は、スピン偏極された電子は、書き込みを行うべき領域にスピントルクを与えて通過する。
このようにして、書き込みを行うべき領域の磁化は磁化固着層２０１の磁化と同じ方向を向くように制御される。
【００２４】
次に、第３の磁性部３０３の磁気ビットに、磁化固着層２０１の磁化方向と異なる方向の書き込みを行う場合について説明する。この場合、第３の磁性部３０３の磁気ビットに磁化固着層２０１の磁化方向と同方向の書き込みを行う場合と逆方向の電流を流す。すなわち、第１の電極１０１から第３の電極１０３へ、第１の磁性部３０１、第３の磁性部、非磁性層２０２、および磁化固着層２０１を介して電子を流す。同時に、第２の電極１０２から第３の電極１０３へ、第２の磁性部３０２、第３の磁性部、非磁性層２０２、および磁化固着層２０１を介して電子を流す。
【００２５】
電子が磁化固着層２０１を通過する際に、磁化固着層２０１の磁化と同じ方向のスピンを有する電子は磁化固着層２０１を通過する。しかし、磁化固着層２０１の磁化と異なる方向のスピンを有する電子は、磁化固着層２０１と非磁性層２０２の界面で反射され、第３の磁性部３０３の書き込みを行うべき領域に流入する。そして、磁化固着層２０１の磁化と異なる方向のスピンを有する電子は、第３の磁性部３０３の書き込みを行うべき領域の磁化にスピントルクを与える。書き込み行うべき領域の磁化に対して与えられたスピントルクは、書き込みを行うべき領域の磁化方向が、磁化固着層２０１の磁化方向と異なる方向を向くように働く。これにより、書き込み行うべき領域の磁化は、磁化固着層２０１の磁化と異なる方向を向くように制御される。
【００２６】
次に、第３の磁性部３０３の磁気ビットを読み出す場合について説明する。
読み出しの場合は、第１の電極１０１および第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、の間に定電流を流す、あるいは定電圧を与える。このとき、第１の電極１０１および第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、の間の電気抵抗は、第３の磁性部３０３の読み出しを行うべき領域の磁化方向と、磁化固着層２０１の磁化方向と、がなす角度によって変化する。具体的には、読み出しを行うべき領域の磁化方向と、磁化固着層２０１の磁化方向と、が同じときは、上記抵抗値は、低い値となる。読み出しを行うべき領域の磁化方向と、磁化固着層２０１の磁化方向と、異なるときは、上記抵抗値は、高い値となる。この現象は、磁気抵抗効果と呼ばれる。この現象を用いて抵抗値を検出することで、読み出しを行うべき領域の磁化方向を検出し、情報の読み出しを行う。
【００２７】
本実施形態では、読み出し動作および書き込み動作を行う際の電流は、上述したように、１つの電極（第３の電極１０３）と、２つの電極（第１の電極１０１および第２の電極１０２）と、の間を流れる。このため、読み出し動作時および書き込み動作時に、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２に流れる電流は、１対の電極の間に電流を流す場合に比べて、１／２となる。読み出し動作時および書き込み動作時に第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２に流れる電流値を低減させることで、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２に含まれる磁壁が、読み出し動作時および書き込み動作時に誤ってシフトする可能性を低減することができる。
【００２８】
本実施形態では、第３の磁性部３０３に対して、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は対称に設けられている。すなわち、第２の磁性部３０２は、第１の磁性部３０１と同量の磁気ビットを保持可能である。このため、どちらか一方の磁性部に記録した全ての磁気ビットを他方の磁性部にシフトさせて、他方の磁性部で磁気ビットを保持することができる。
これに対して、１つの磁性部の一端に読み出し書き込み素子を設けて磁気記憶素子を構成した場合、読み出し動作あるいは書き込み動作に伴って、読み出し書き込み素子の直下（すなわち磁性部の端部）に達した磁気ビットは喪失する。このため、磁気ビットの喪失を防ぐためには、他の記憶素子に情報を保存する必要がある。
しかし、本実施形態の構成によれば、一方の磁性部に対して磁気ビットの読み出しまたは書き込みを行う際に、もう一方の磁性部で磁気ビットを保持できるため、磁気ビットの喪失はない。
従って、上述した磁気記憶素子のように、消滅する情報を外部で保持しておくための他の記憶素子を別途設ける必要がない。
【００２９】
本実施形態では、第３の磁性部３０３に対して、磁気ビットの読出しおよび書き込みを行う際に、第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、の間に電流を流す。
従って、例えば、第３の磁性部３０３の下部に第４の電極を設け、第４の電極と第３の電極１０３との間に電流を流して磁気ビットの読出しおよび書き込みを行う磁気記憶素子と比較して、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２をより近接して配置することができる。このため、本実施形態に係る磁気記憶素子１によれば、磁性部をより高密度に設けることが可能である。
【００３０】
（各磁性部の詳細）
ここで、上述した読み出し動作および書き込み動作を踏まえて、本実施形態に係る第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３のより詳細な構造について、以下で説明する。
本実施形態において、第３の磁性部３０３のＸ軸方向およびＹ軸方向を含む面（以下、Ｘ−Ｙ面という）における面積は、読み出し書き込み部２０３のＸ−Ｙ面における面積と同じもしくはそれより小さい。そして、Ｚ軸方向に延びる第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２は、第３の磁性部３０３の下面に接続されている。このため、上方（Ｚ軸方向）からみた場合の磁気記憶素子１の面積は、読み出し書き込み部２０３の面積と等しい。
【００３１】
記憶容量の大容量化に伴い、読み出し書き込み部２０３のサイズも小型化する必要がある。それに伴い、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３のサイズも小さくすることが好ましい。パーマロイ（ＦｅＮｉ合金）などの一般的な面内磁化膜では、一つの磁区の大きさが２００ｎｍ程度である。このため、第３の磁性部３０３の長辺（Ｘ軸方向の辺）の長さを２００ｎｍ以下にすると、第３の磁性部３０３は単磁区構造となる。この場合、第３の磁性部３０３には、磁気記憶素子１の磁区のシフト動作中を除き、磁壁が存在しない。従って、シフト動作開始時に必要なシフト電流値は、垂直磁化膜である第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２に含まれる磁壁を移動させるために必要な電流値と等しい。一般的に、垂直磁化膜の閾値シフト電流（磁壁を動かし始めるのに必要な電流の閾値）は面内磁化膜より小さい。このため、第３の磁性部３０３の長さを、単磁区構造となる長さにすることで、閾値シフト電流を低減することが可能となる。
【００３２】
第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２は、Ｚ軸方向において、周期的に幅が狭い部分（くびれ部）を有していてもよい。なお、幅とは、磁性部が延びる方向（Ｚ軸方向）と直交する方向における寸法である。磁性部の幅が狭い部分では、磁性部の幅が広い部分に比べて、磁壁がより低いエネルギーで存在することが出来る。そのため、磁壁をシフトさせる電流を流している時間にばらつきが在る場合でも、磁壁は幅が狭い部分に安定してとどまる。従って、１ビット長に相当する間隔で周期的に磁性部にくびれ部を設けることで、磁壁のシフト動作後に、磁壁を安定してくびれ部に存在させることが可能となる。この結果、磁壁をシフトさせる時間にばらつきがある場合でも、磁壁の位置のばらつきに起因する読み出し動作や書き込み動作のエラーの発生を抑制することが出来る。
【００３３】
第１の磁性部３０１の端部付近にくびれ部を設けると、磁壁は、第１の磁性部３０１の端部付近のくびれ部に安定してとどまる。同様に、第２の磁性部３０２の端部付近にくびれ部を設けると、磁壁は、第２の磁性部３０２の端部付近のくびれ部に安定してとどまる。この場合、第３の磁性部３０３と、第１の磁性部３０１の端部付近と、第２の磁性部３０２の端部付近と、は、同じ磁化方向を持つ一つの磁気ビットとなる。こうすると、書き込み動作時に、スピントルクは、第３の磁性部３０３と、第２の磁性部３０２の端部付近と、第１の磁性部３０１の端部付近と、に同方向に作用する。このため、第１の磁性部３０１と第３の磁性部３０３の接続部、および第２の磁性部３０２と第３の磁性部３０３の接続部に磁壁が在り、第３の磁性部３０３の磁気ビットの磁化方向が、第１の磁性部３０１の端部付近および第２の磁性部３０２の端部付近の磁気ビットの磁化方向と異なる場合に比べて、書き込みエラーの発生頻度を低減させることができる。
【００３４】
（各構成要素の材料）
第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３には、種々の磁性材料を用いることができる。例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒからなる群より選択された少なくとも一つの元素を含む磁性合金を用いることができる。
代表的な例として、パーマロイ（ＦｅＮｉ合金）、ＣｏＦｅ合金などが挙げられる。第３の磁性部３０３に用いられる、磁気異方性の容易軸が面内方向にある材料の例として、Ｃｏ、ＣｏＰｔ、あるいはＣｏＣｒＰｔなどが挙げられる。ＣｏＰｔやＣｏＣｒＰｔは、合金であっても良い。さらに、上記材料群いずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。
【００３５】
第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２には、一軸異方性定数Ｋｕが大きく、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることが望ましい。異方性定数Ｋｕが大きい材料を用いると、磁場や電流を与えていないときの磁壁同士の間隔を狭くすることができる。このため、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２に含まれる磁区の密度を高くすることができる。このような材料の例として、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、およびＣｒからなる群より選択された少なくとも一つの元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｕ、およびＲｈからなる群より選択された少なくとも一つの元素と、を含む合金がある。一軸異方性定数Ｋｕの値については、磁性層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。
例えば、Ｃｏ層およびＣｏＰｔ層は、その膜厚が２ｎｍ以下である場合において、下地膜の界面磁気異方性により垂直磁化を示す。
【００３６】
第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２には、ｈｃｐ（ｈｅｘａｇｏｎａｌｃｌｏｓｅ−ｐａｃｋｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）構造（六方最密充填構造）の結晶構造を有し、垂直磁気異方性を示す磁性材料を用いることもできる。このような磁性材料としては、Ｃｏ層、ＣｏＰｔ層や、ＦｅＰｔ層、（Ｃｏ／Ｎｉ）の積層膜、ＴｂＦｅ層などが挙げられる。なお、ＣｏＰｔは合金であっても良い。ＴｂＦｅ層の場合、Ｔｂが２０ａｔｏｍｉｃ％以上４０ａｔｏｍｉｃ％以下である場合には、ＴｂＦｅ層は垂直異方性を示す。さらに、上記材料群いずれの場合でも、添加元素を加えてもかまわない。さらに、上記材料群の下地膜としてＰｔ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴｉＮ、またはＷを挿入することで垂直磁気異方性を調整することができる。その他、希土類元素と鉄族遷移元素との合金で、垂直磁気異方性を示す材料を用いることもできる。具体的には、ＧｄＦｅ、ＧｄＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＴｂＦｅ、ＴｂＣｏ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＴｂＦｅ、ＧｄＴｂＣｏ、ＤｙＦｅ、ＤｙＣｏ、およびＤｙＦｅＣｏなどが挙げられる。
【００３７】
第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３に用いられるこれらの磁性材料には、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｂｉ、Ｔａ、Ｂ、Ｃ、Ｏ、Ｎ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｉｒ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｂ、またはＨなどの非磁性元素を添加して磁気特性を調整することができる。あるいは、これらの非磁性元素を添加して結晶性、機械的特性、あるいは化学的特性などの各種特性を調節することができる。
【００３８】
第３の磁性部３０３の面内磁化膜の磁気特性と、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２の垂直磁化膜の磁気特性と、は、最適なシフト動作、読み出し動作、および書き込み動作のために、上述した材料の選択などにより調整することができる。
【００３９】
本実施形態では、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部３０３に含まれる磁区は、いずれもＸ軸方向に磁化している。そして、第３の磁性部３０３のＸ軸方向の寸法は、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２のＸ軸方向の寸法よりも長い。このため、第３の磁性部３０３中を磁壁がシフトする際に必要な電流は、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２中を磁壁がシフトする際に必要な電流に比べて大きい。第３の磁性部３０３中を磁壁がシフトする際に必要な電流と、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２中を磁壁がシフトする際に必要な電流と、の差を小さくするために、第３の磁性部３０３の磁化は、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２の磁化よりも小さい方が好ましい。第３の磁性部３０３の磁化を小さくすることで、第３の磁性部３０３における磁壁のシフトに要するシフト電流を小さくすることができる。
【００４０】
磁化固着層２０１の磁化を固定するために、磁化固着層２０１に隣接して反強磁性層が設けられていてもよい。反強磁性層の材料としては、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｃｒ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｉｒ−Ｍｎ、ＮｉＯ、Ｆｅ２Ｏ３、あるいは磁性半導体などを用いることが望ましい。
【００４１】
非磁性層２０２の材料としては、非磁性の金属材料あるいは非磁性の絶縁性材料を用いることができる。非磁性の金属としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｇａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、およびＢｉのうちのいずれかの元素、あるいはこれらの元素のいずれか一種以上を含む合金を用いることができる。また、この非磁性層２０２の厚さは、磁化固着層２０１と第３の磁性部３０３の静磁結合が十分小さく、かつ、非磁性層２０２のスピン拡散長より短くする必要があり、具体的には、０．２ｎｍ以上２０ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
【００４２】
絶縁性材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、ＡｌＮ、Ｂｉ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＣａＦ２、ＳｒＴｉＯ３、ＡｌＬａＯ３、Ａｌ−Ｎ−Ｏ、Ｓｉ−Ｎ−Ｏ、非磁性半導体（ＺｎＯ、ＩｎＭｎ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、ＴｉＯ２、Ｚｎ、Ｔｅ、またはそれらに遷移金属がドープされたもの）などを用いることができる。これらの化合物は、化学量論的にみて完全に正確な組成である必要はなく、酸素、窒素、フッ素などの欠損、あるいは過不足が存在していてもよい。また、この絶縁材料からなる非磁性層の厚みは、０．２ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲内とすることが望ましい。
【００４３】
（製造方法）
第１の実施形態に係る磁気記憶素子１の製造方法について、図４および図５を用いて説明する。
図４および図５は、第１実施形態に係る磁気記憶素子１の製造工程を表す工程断面図である。
【００４４】
まず、図４（ａ）に表すように、トランジスタや配線などメモリ動作に必要な構造が設けられた基板４００上に絶縁層４０１（第１の絶縁層）を成膜する。基板４００上には、第１の電極１０１および第２の電極１０２が設けられている。絶縁層４０１の成膜方法は、成膜速度の速い、蒸着法やスパッタ法などの、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いることが好ましいが、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法もしくはＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｌａｙｅｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いてもよい。絶縁材料としてはＳｉＯ２，ＳｉＮ，あるいはＡｌ２Ｏ３などが挙げられる。
【００４５】
次に、図４（ｂ）に表すように、絶縁層４０１にＹ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ１を形成する。このとき、絶縁層４０１は、例えば、Ｙ軸方向にライン＆スペースのパターニングを施した不図示のレジストマスクを用いて、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）法により、基板４００の表面が露出するまでエッチングされる。この工程により、Ｙ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ１を有する絶縁層４０１ａが形成される。
【００４６】
このとき、基板に設けられた第１の電極１０１および第２の電極１０２が露出するように、ライン＆スペースのパターニング位置を調整する。
絶縁層４０１を、互いにエッチングレートの異方性が異なる２つ以上の膜を交互に積層して形成してもよい。こうすることで、ＲＩＥ法を行った後に、絶縁層４０１ａが、Ｚ軸方向において周期的にくびれ部を有する構造となるように形成することもできる。
【００４７】
次に、図４（ｃ）に表すように、絶縁層４０１ａ上および基板４００上に、磁性膜４０２をＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法により成膜する。磁性膜４０２は、絶縁層４０１ａの開口ＯＰ１が残るように成膜される。
【００４８】
磁性膜４０２は、垂直磁化膜となるように成膜される。すなわち、開口ＯＰ１の側壁に成膜された磁性膜４０２は、側壁に対して垂直な方向であるＸ軸方向に磁化容易軸を有する。ＣＶＤ法およびＡＬＤ法では、垂直磁化膜となる材料に含まれる元素を一つ以上含むプリカーサ（precursor）を用いる。合金膜の成膜を行う場合は、複数のプリカーサを用いる。磁性膜４０２の成膜を基板全面において均一に行うため、あるいは、磁性膜４０２の密着性や磁気特性を調整するために、磁性膜４０２の成膜に先立って、下地層をＣＶＤ法またはＡＬＤ法で、絶縁層４０１ａ上および基板４００上に成膜してもよい。密着層としては、ＷやＴａＮなどの、磁性材料よりも表面エネルギーの高い材料が好ましい。磁性膜４０２の磁気特性を調整するための下地層の材料としては、Ｐｔ、Ｐｄ、またはＲｕなどが挙げられる。磁性膜４０２の成膜後に、磁性膜４０２を保護するためのキャップ層を成膜してもよい。キャップ層の材料としてはＰｔやＴａなどが挙げられる。
【００４９】
次に、図４（ｄ）に表すように、磁性膜４０２が成膜された絶縁層４０１ａの開口ＯＰ１に絶縁材料を埋め込み、絶縁層４０３（第２の絶縁層）を形成する。絶縁層４０３は、絶縁層４０１ａと、開口ＯＰ１に埋め込まれた絶縁材料と、からなる。絶縁層４０３の内部には、磁性膜４０２の少なくとも一部が埋め込まれている。絶縁材料の埋め込みにはＣＶＤ法、ＡＬＤ法、およびＰＶＤ法のいずれかの方法を用いる。絶縁材料は、絶縁層４０１と同じものであってもよいし、別の材料でもよい。埋め込みを行ったあと、表面に余分な絶縁材料が存在する場合は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法などの方法で余分な絶縁材料を除去し、表面を平坦にしてもよい。
【００５０】
次に、図４（ｅ）に表すように、絶縁層４０３にＸ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ２を形成することで、Ｙ軸方向において互いに離間した複数の磁性部４０２ａを形成する。このとき、絶縁層４０３は、例えば、Ｘ軸方向にライン＆スペースのパターニングを施した不図示のレジストマスクを用いて、ＲＩＥ法により、基板４００の表面が露出するまでエッチングされる。この工程により、Ｘ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ２を有する絶縁層４０３ａが形成される。
【００５１】
次に、図４（ｆ）に表すように、図４（ｄ）と同様に絶縁層４０３ａの開口ＯＰ２に絶縁材料を埋め込み、絶縁層４０４（第３の絶縁層）を形成する。絶縁層４０４は、絶縁層４０３ａと、開口ＯＰ２に埋め込まれた絶縁材料と、からなる。このとき、絶縁層４０４には、複数の磁性部４０２ａが埋め込まれている。絶縁材料の埋め込みにはＣＶＤ法、ＡＬＤ法、およびＰＶＤ法のいずれかの方法を用いることができる。絶縁材料は、図４（ａ）および（ｄ）と同じものであってもよいし、別の材料でもよい。埋め込みを行ったあと、表面に余分な絶縁材料が存在する場合は、ＣＭＰ法などの方法で余分な絶縁材料を除去し、表面を平坦にしてもよい。
【００５２】
作製された磁性部４０２ａの構造を、埋め込まれた絶縁材料から抜き出して表したのが図５（ａ）である。図５（ａ）に表すように、基板４００上には、複数の磁性部４０２ａが形成されている。具体的には、柱状の絶縁部の側壁に形成された、Ｚ軸方向に延びる磁性部と、基板４００上に形成された、Ｘ軸方向に延びる磁性部と、が形成されている。図５（ａ）に表す柱状の絶縁部は、絶縁層４０１から、開口ＯＰ１および開口ＯＰ２を形成する際に除去された部分を除いたものに相当する。
【００５３】
図４（ｃ）と図４（ｄ）に表すプロセスの間に、異方性のあるＲＩＥ法により、開口ＯＰ１の側壁に成膜した磁性膜４０２を残したまま、絶縁層４０１ａの上部および開口ＯＰ１の底部の磁性膜４０２を除去してもよい。この場合は図５（ｂ）に表すように、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において互いに離間した複数の磁性部４０２ｂが形成される。
【００５４】
続いて、絶縁層４０４上に、磁性膜、非磁性膜、および磁化固着膜を、この順に成膜する。所望の磁気特性が得られれば、成膜方法として、上記のＣＶＤ法、ＡＬＤ法、蒸着法、スパッタ法などいずれの方法を用いても良い。例えば、スパッタ法を用いる場合、各層の材料で挙げられた中から少なくとも一つの元素を含んだターゲットを用いる。例えば、磁性層の成膜をスパッタ法で行う場合には、面内磁化膜となる材料を含むターゲットを用いる。
【００５５】
その後、磁性膜、非磁性膜、および磁化固着膜をパターニングし、絶縁層４０４上に磁性層４０５、非磁性層２０２、および磁化固着層２０１を形成する。図５（ｂ）に表すような複数の磁性部４０２ｂを形成した場合、複数の磁性部４０２ｂのうち２つの磁性部４０２ｂ上に磁性層４０５、非磁性層２０２、および磁化固着層２０１を形成する。このときの様子を、図５（ｃ）に表す。磁性部４０２ｂ上に形成された磁性層４０５は、第３の磁性部３０３に相当する。図５（ｃ）では、最上部に位置する磁化固着層２０１のみを図示している。
【００５６】
磁性膜、非磁性膜、および磁化固着膜は、同時にパターニングされるため、Ｘ−Ｙ面における磁性層４０５、非磁性層２０２、および磁化固着層２０１の面積は互いに等しくなりうる。
Ｚ軸方向に延びる２つの磁性部４０２ｂ上に磁性層４０５を選択的に形成する場合、２つの磁性部４０２ｂは、Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向に互いに隣接する磁性部４０２ｂから選択される。選択された２つの磁性部４０２ｂは、それぞれ第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２に相当する。
【００５７】
図５（ｃ）に表すように、Ｘ軸方向に互いに隣接する磁性部４０２ｂ上に磁性層４０５を設ける場合、磁性層４０５は、Ｘ軸方向に延びた構造となる。この場合、磁性層４０５の磁化方向は、形状磁気異方性の効果により、Ｘ軸方向を向きやすい。加えて、磁性層４０５の磁化容易軸をＸ軸方向とすることで、形状磁気異方性の作用と、磁化容易軸の作用と、により、磁性層４０５の磁化方向を、より容易にＸ軸方向に向けることが可能となる。こうすることで、磁気記憶素子１において、第３の磁性部３０３の磁化方向を、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２の磁化方向と同じ方向に向けることがより容易となる。この場合、第３の磁性部３０３の磁化方向は、電流の流れる方向に対して平行もしくは反平行の方向となる。
【００５８】
これに対して、Ｙ軸方向で互いに隣接する磁性部４０２ｂ上に磁性層４０５を設ける場合、磁性層４０５は、Ｙ軸方向に延びた構造となる。この場合、磁性層４０５の磁化方向は、形状磁気異方性の効果により、Ｙ軸方向を向きやすい。従って、磁性層４０５の磁化容易軸をＸ軸方向とした場合であっても、磁性層４０５の磁化方向は、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２の磁化方向と異なる方向を向いてしまう可能性がある。この場合、第３の磁性部３０３の磁化方向は、電流の流れる方向に対して異なる方向となる。
安定したビット動作を実現するためには、磁性層４０５における磁化方向が、第１の磁性部３０１の磁化方向および第２の磁性部３０２の磁化方向と同じであり、電流の流れる方向に対して平行もしくは反平行の方向であることが望ましい。このため、磁性層４０５は、磁化容易軸と同じ方向に延びるように形成することが望ましい。従って、磁性層４０５は、磁性層４０５の磁化容易軸方向において互いに隣接する２つの磁性部４０２ａ上に形成されることが望ましい。
【００５９】
最後に、図５（ｄ）に表すように、非磁性層２０２および磁化固着層２０１を含む読み出し書き込み部２０３上に、第３の電極１０３を形成し、不図示のビット線およびワード線を形成する。
【００６０】
（第２実施形態）
第２実施形態に係る磁気記憶素子２を、図６を用いて説明する。
図６は、第２実施形態に係る磁気記憶素子２の斜視図である。
【００６１】
第２実施形態は、第１実施形態と比較して、Ｚ軸方向における各構成要素の順序が反対となっている。すなわち、磁気記憶素子１では、基板４００上に第１の電極１０１および第２の電極１０２が設けられていたのに対して、磁気記憶素子２では、基板４００上に第３の電極１０３が設けられている。また、磁気記憶素子１では、Ｘ−Ｙ面において、第３の磁性部３０３の面積は、読み出し書き込み部２０３の面積と等しかった。これに対して、磁気記憶素子２では、Ｘ−Ｙ面において、第３の磁性部３０３の面積は、読み出し書き込み部２０３の面積より小さい。第３の磁性部３０３と読み出し書き込み部２０３の積層構造は、テーパ形状を有する。３の磁性部３０３と読み出し書き込み部２０３の積層構造は、第３の電極１０３から第３の磁性部３０３に向かうほど、それぞれの層のＸ軸方向およびＹ軸方向の寸法が小さくなっている。
【００６２】
第３の磁性部３０３のＸ−Ｙ面における面積は、読み出し書き込み部２０３のＸ−Ｙ面における面積より小さい。従って、第３の磁性部３０３における電流密度は、読み出し書き込み部２０３における電流密度よりも高くなる。このため、読み出し書き込み部２０３に流す電流値を磁気記憶素子１より低く設定した場合であっても、第３の磁性部３０３において、読み出し動作および書き込み動作に必要な電流密度を得ることができる。
【００６３】
各構成要素の材料や、磁気記憶素子２のシフト動作、読み出し動作、および書き込み動作に関しては、第１実施形態に係る磁気記憶素子１と同様である。
【００６４】
次に、第２実施形態に係る磁気記憶素子２の製造方法について、図７および図８を用いて説明する。
図７および図８は、第２実施形態に係る磁気記憶素子２の製造工程を表す工程断面図である。
【００６５】
まず、図７（ａ）に表すように、トランジスタや配線が設けられた基板４００上に、金属膜１０３ａ、磁化固着膜２０１ａ、非磁性膜２０２ａ、および磁性膜４０５ａを成膜する。成膜方法は、所望の磁気特性が得られれば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法、およびＰＶＤ法のいずれの方法を用いてもよい。
【００６６】
次に、図７（ｂ）に表すように、ＲＩＥ法やイオンミリング法などにより、第３の電極１０３、磁化固着層２０１、非磁性層２０２、および磁性層４０５を一括して形成する。このとき、ＲＩＥ法やイオンミリング法の条件を調整して、磁性層４０５および読み出し書き込み部２０３にテーパが付くように加工する。図７（ｂ）には、１組の磁性層４０５および読み出し書き込み部２０３のみを表しているが、基板４００上に、複数の磁性層４０５および読み出し書き込み部２０３がＸ軸方向およびＹ軸方向に複数配列されていてもよい。
【００６７】
次に、図７（ｃ）に表すように、磁化固着層２０１、非磁性層２０２、および磁性層４０５が形成された基板４００上に、絶縁層４０１（第１の絶縁層）を形成する。
【００６８】
次に、絶縁層４０１に、磁性層４０５のＸ軸方向の両端が露出するように、Ｙ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ１を形成する。このときの様子を、図７（ｄ）に表す。絶縁層４０１の加工は、例えば、Ｙ軸方向にライン＆スペースのパターニングを施した不図示のレジストマスクを用いて、ＲＩＥ法により行われる。この工程により、Ｙ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ１を有する絶縁層４０１ａが形成される。
なお、図７（ｂ）において、基板４００上に、１組の第３の電極１０３、磁化固着層２０１、非磁性層２０２、および磁性層４０５のみを図示した。しかしながら、図７（ｄ）以降の工程においては、複数の、第３の電極１０３、磁化固着層２０１、非磁性層２０２、および磁性層４０５に対して行われる工程を図示している。
【００６９】
次に、図７（ｅ）に表すように、開口ＯＰ１が形成された絶縁層４０１ａ上および基板４００上に、磁性膜４０２をＣＶＤ法もしくはＡＬＤ法により成膜する。このとき、磁性膜４０２は、磁性層４０５のＸ軸方向の両端と接するように成膜される。
【００７０】
次に、図７（ｆ）に表すように、異方性のあるＲＩＥ法により側壁に成膜した磁性層を残したまま、基板４００上の磁性層および絶縁層４０１ａ上部の磁性層を除去し、Ｚ軸方向に延びる互いに独立した磁性部４０２ｃを形成する。
【００７１】
次に、図８（ａ）に表すように、絶縁材料を埋め込み、絶縁層４０３を形成する。埋め込みを行ったあとの、表面の余分な絶縁材料は、ＣＭＰ法などの方法で除去し、表面を平坦にする。
【００７２】
次に、磁性層４０５上の絶縁層４０３を残すように、絶縁層４０３にＸ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ２を形成することで、Ｘ軸方向およびＹ軸方向において互いに離間した複数の磁性部４０２ｄを形成する。このときの様子を図８（ｂ）に表す。絶縁層４０３は、例えば、Ｘ軸方向にライン＆スペースのパターニングを施した不図示のレジストマスクを用いて、ＲＩＥ法により、基板４００の表面が露出するまでエッチングされる。この工程により、Ｘ軸方向に延びる複数の開口ＯＰ２を有する絶縁層４０３ａが形成される。
【００７３】
次に、図８（ｃ）に表すように、絶縁材料を埋め込み、絶縁層４０４を形成する。埋め込みを行ったあとの、表面の余分な絶縁材料は、ＣＭＰ法などの方法で除去し、表面を平坦にする。
【００７４】
最後に、図８（ｄ）に表すように、磁性部４０２ｂ上に第１の電極１０１および第２の電極１０２を形成する。その後、不図示のビット線およびワード線を形成する。各構成要素の成膜やエッチングなどには、磁気記憶素子１の製法と同様の方法を用いることができる。
【００７５】
（第３実施形態）
第３実施形態に係る磁気記憶素子３を、図９を用いて説明する。
図９は、第３実施形態に係る磁気記憶素子３の斜視図である。
第３実施形態は、第２実施形態と比較して、第３の磁性部３０３と第２の磁性部３０２の接続面積および第３の磁性部３０３と第１の磁性部３０１の接続面積が小さくなっている。
【００７６】
各構成要素の材料や、磁気記憶素子３のシフト動作、読み出し動作、および書き込み動作に関しては、第１実施形態に係る磁気記憶素子１と同様である。
【００７７】
本実施形態では、第２の磁性部３０２の、Ｘ−Ｙ面の断面積は、第３の磁性部３０３と第２の磁性部３０２の接触面積よりも大きい。また、第１の磁性部３０１の、Ｘ−Ｙ面の断面積は、第３の磁性部３０３と第１の磁性部３０１の接触面積よりも大きい。このため、第３の磁性部３０３と第２の磁性部３０２の接続部および第３の磁性部３０３と第１の磁性部３０１の接続部において、電流密度が大きくなる。従って、屈曲しているこれらの接続部において、第２の実施形態に比べて、磁壁を容易に移動させることができるので、シフトエラーが発生しにくい。
【００７８】
磁気記憶素子３の作製方法としては、第２実施形態に係る磁気記憶素子２の作製方法と同様の方法を用いることができる。具体的には、磁気記憶素子２の作製方法において、磁性膜４０５ａを加工して磁性層４０５を作製する際に、磁性層４０５のＸ−Ｙ面における面積が小さくなるように加工する。また、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２のＺ軸方向の端面が、磁性層４０５と部分的に接触するように、磁性膜４０２の成膜および絶縁層４０３のパターニングを行う。
【００７９】
磁気記憶素子３を作製する際には、磁性部を高密度に設けるために、Ｚ軸方向から見た場合に、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２が磁化固着層２０１の面積内に収まるように絶縁層の開口位置を調整することが好ましい。換言すると、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２は、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２が延びる方向から見た場合に、磁化固着層２０１の外縁より内側に位置し、磁化固着層２０１と重なっていることが好ましい。
【００８０】
（第４実施形態）
第４実施形態に係る磁気記憶素子４を、図１０を用いて説明する。
図１０は、第４実施形態に係る磁気記憶素子４の斜視図である。
図１０（ａ）は、一の方向から磁気記憶素子４を見た場合の斜視図であり、図１０（ｂ）は、他の方向から磁気記憶素子４を見た場合の斜視図である。
【００８１】
第４実施形態は、第１実施形態と比較して、第３の磁性部３０３に接続される磁性部の数が異なる。第１実施形態では、１つの第３の磁性部３０３に対して、Ｚ軸方向に延びる２つの磁性部が接続されていた。これに対して、本実施形態では、１つの第３の磁性部３０３に対して、Ｚ軸方向に延びる４つの磁性部が接続されている。
【００８２】
磁気記憶素子４は、磁気記憶素子１と比較して、さらに、第４の磁性部３０４、第５の磁性部３０５、第４の電極１０４、および第５の電極１０５を有する。
第４の磁性部３０４と第５の磁性部３０５は、Ｚ軸方向に延びている。第４の磁性部３０４のＺ軸方向の一端は、第３の磁性部３０３に接続されている。第４の磁性部３０４のＺ軸方向の他端は、第４の電極１０４に接続されている。第５の磁性部３０５のＺ軸方向の一端は、第３の磁性部３０３に接続されている。第５の磁性部３０５のＺ軸方向の他端は、第５の電極１０５に接続されている。
【００８３】
第４の磁性部３０４および第５の磁性部３０５の材料には、第１の磁性部３０１や、第２の磁性部３０２と同様の材料を用いることができる。第４の電極１０４および第５の電極１０５の材料には、第１の電極１０１や、第２の電極１０２と同様の材料を用いることができる。
他の各構成要素の材料等については第１実施形態と同様である。
【００８４】
第１の電流源１５１は、第１の電極１０１〜第５の電極１０５のそれぞれと接続されてる。
第２の電流源１５２は、第１の電極１０１、第２の電極１０２、第４の電極１０４、および第５の電極１０５のそれぞれと接続されている。
【００８５】
読み出し動作時および書き込み動作時には、第１の電流源１５１により、第１の電極１０１、第２の電極１０２、第４の電極１０４、および第５の電極１０５と、第３の電極１０３と、の間に電流を流す。従って、第３の磁性部３０３に、１つの磁性部のみが接続されている場合と比較して、読み出し動作時および書き込み動作時に、各磁性部に流れる電流を、１／４にすることが可能となる。このため、第３の磁性部３０３に対して情報の読み出しまたは書き込みを行う際に、各磁性部を流れる電流によって、各磁性部の磁壁がシフトするエラーの発生を大幅に抑制することができる。
【００８６】
また、例えば、第１の磁性部３０１と第４の磁性部３０４に同じ情報を蓄積させ、第２の磁性部３０２と第５の磁性部３０５に同じ情報を蓄積させることができる。このように、複数の磁性部に同じ情報を蓄積させることで、磁壁をシフトさせた際に１つの磁性部でエラーが起きた場合でも、他の磁性部の情報を用いて補完することができる。このため、エラーに対する耐性を向上させることが可能となる。
【００８７】
磁気記憶素子４の作製方法について説明する。
まず、図４（ａ）〜（ｆ）および図５（ａ）〜（ｂ）の工程と同様の工程を行い、Ｚ軸方向に延びる複数の磁性部を形成する。
次に、絶縁層４０４上に、磁性膜、非磁性膜、磁化固着膜、および金属膜を成膜する。
そして、ＲＩＥ法やイオンミリング法などにより、各々の膜をパターニングし、複数の磁性部のうち４つの磁性部と接続する、磁性層４０５、非磁性層２０２、磁化固着層２０１、および第３の電極１０３を形成する。
以上の工程により、第４実施形態に係る磁気記憶素子４が得られる。
【００８８】
磁気記憶素子４のシフト動作について説明する。
磁気記憶素子４では、第３の磁性部３０３は、磁壁のシフトを行っていない状態において単磁区構造を有する。従って、安定して磁壁のシフト動作を行うために、第３の磁性部３０３の磁気ビットを複数の磁性部に同時にシフトさせることが好ましい。磁気ビットのシフト動作時において、第１の電流源１５１は、例えば、第１の電極１０１および第４の電極１０４から第２の電極１０２および第５の電極１０５に向けて電流を流す。このとき、第３の磁性部３０３に書き込まれた磁気ビットは、第２の磁性部３０２と第５の磁性部３０５の両方にシフトされる。
各磁性部の磁気ビットを読み出す場合は、複数の磁性部から同じ磁化方向の磁気ビットを、第３の磁性部３０３に同時にシフトさせることが好ましい。
【００８９】
磁気記憶素子４において、読み出し動作または書き込み動作を行う場合は、上述した通り、第１の電流源により、第１の電極１０１、第２の電極１０２、第４の電極１０４、および第５の電極１０５と、第３の電極１０３と、の間に電流を流すことで、第３の磁性部３０３に対して磁気ビットの読み出しまたは書き込みを行う。電流の流れる方向と磁化固着層２０１の磁化方向の関係に応じて第３の磁性部３０３の磁化方向が制御される点は、第１実施形態と同様である。
【００９０】
なお、図１０に表す例では、１つの第３の磁性部３０３に対して４つの磁性部を接続しているが、１つの第３の磁性部３０３に対して３つの磁性部あるいは５つ以上の磁性部を接続してもよい。１つの第３の磁性部３０３に対してＮつ（Ｎは３以上の整数）の磁性部が接続されている場合、磁性部が１つの場合に比べて、読み出し動作時および書き込み動作時に各磁性部を流れる電流を１／Ｎに低減することができる。
【００９１】
（第５実施形態）
第５実施形態に係る磁気記憶素子５を、図１１を用いて説明する。
図１１は、第５実施形態に係る磁気記憶素子５の斜視図である。
第５実施形態は第１実施形態と比較して、磁性部が、Ｘ軸方向において隣接する複数の他の磁性部と接続されて連続している点で異なる。
【００９２】
磁気記憶素子５は、第３の磁性部３０３と、第３の磁性部３０３に接続された第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２と、を含む構造体ＳＴを有する。磁気記憶素子５は、構造体ＳＴがＺ軸方向と交差する方向に複数配列された構造体アレイを有する。また、磁気記憶素子５は、構造体ＳＴに含まれる第１の磁性部３０１と、それに隣接する構造体ＳＴに含まれる第２の磁性部３０２を接続する第４の磁性部３０４を有する。複数の第１の磁性部３０１のうち、第４の磁性部３０４と接続されていない第１の磁性部３０１は、第１の電極１０１と接続される。複数の第２の磁性部３０２のうち、第４の磁性部３０４と接続されていない第２の磁性部３０２は、第２の電極１０２と接続される。
本実施形態では、Ｚ軸方向だけでなくＸ軸方向にも大容量化が可能となる。
【００９３】
構造体ＳＴは、第１の磁性部３０１、第２の磁性部３０２、および第３の磁性部の磁化容易軸方向に配列されていることが好ましい。この場合、構造体ＳＴ同士を接続する第４の磁性部３０４も、他の磁性部の磁化容易軸方向に延びる構造となる。このため、形状磁気異方性により、第４の磁性部３０４の磁化方向を、他の磁性部の磁化方向と同じ方向に揃えることが容易となる。
【００９４】
磁気記憶素子５の作製方法について説明する。
まず、図４（ａ）〜（ｆ）および図５（ａ）の工程と同様の工程を行い、Ｚ軸方向に延びる複数の磁性部と、それらを接続するＸ軸方向に延びる磁性部を形成する。
第１実施形態に係る磁気記憶素子の製造工程においては、このあと、基板４００上に堆積されたＸ軸方向に延びる磁性部を除去した。しかし、本実施形態では、Ｘ軸方向に延びる磁性部は除去せずに、その次の工程を行う。
次は、図５（ｃ）および（ｄ）と同様にして、複数の磁性部のうち２つの磁性部と接続する、第３の磁性部３０３、非磁性層２０２、磁化固着層２０１、および第３の電極１０３を形成する。このとき、連続して接続された１組の磁性部のうちいずれかの第３の磁性部３０３上に、１つの読み出し書き込み部２０３を形成すればよい。あるいは、連続して接続された１組の磁性部のうち、複数の第３の磁性部３０３上のそれぞれに、読み出し書き込み部２０３を形成してもよい。
【００９５】
各磁性部に含まれる磁壁をシフトさせる場合は、第２の電流源１５２により、第１の電極１０１と第２の電極１０２との間に電流を流す。
読み出し動作または書き込み動作を行う場合は、第１の電流源１５１により、第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、の間に電流を流すことで、第３の磁性部３０３に対して磁気ビットの読み出しまたは書き込みを行う。電流の流れる方向と磁化固着層２０１の磁化方向の関係に応じて第３の磁性部３０３の磁化方向が制御される点は、第１実施形態と同様である。
【００９６】
各構成要素の材料等については第１実施形態と同様である。第４の磁性部の材料としては、第１の磁性部３０１および第２の磁性部３０２と同様の材料を用いることができる。
【００９７】
ここで、第５実施形態に係る磁気記憶素子の変形例を、図１２を用いて説明する。
図１２は、第５実施形態に係る磁気記憶素子５の変形例を表す斜視図である。
図１２に表す変形例では、連続して接続された１組の磁性部のうち、１つの第３の磁性部３０３上に、磁化固着層２０１１および非磁性層２０２１を含む読み出し部２０４が設けられている。そして、他の第３の磁性部３０３上に、磁化固着層２０１２および非磁性層２０２２を含む書き込み部２０５が設けられている。読み出し部２０４および書き込み部２０５は、連続して接続された１組の磁性部に対して、それぞれが複数設けられていてもよい。
読み出し部２０４には、第３の電極１０３が接続され、書き込み部２０５には、第４の電極１０４が接続されている。
【００９８】
各磁性部に含まれる磁壁をシフトさせる場合は、第３の電流源１５３により、第１の電極１０１と第２の電極１０２との間に電流を流す。
読み出し動作を行う場合は、第１の電流源１５１により、第２の電極１０２および第１の電極１０１の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、の間に電流を流すことで、読み出し部２０４に接する第３の磁性部３０３の磁気ビットの読み出しを行う。
書き込み動作を行う場合は、第２の電流源１５２により、第１の電極１０１および第２の電極１０２の少なくとも一方と、第３の電極１０３と、の間に電流を流すことで、書き込み部２０５に接する第３の磁性部３０３に磁気ビットの書き込みを行う。
読み出し動作および書き込み動作の原理については、他の実施形態と同様である。
図１２に表したように、第３の電極１０３に接続される電流源と、第４の電極１０４に接続される電流源を別々に設けてもよい。あるいは、第３の電極１０３と第４の電極１０４の両方に接続される共通の電流源を設けても良い。すなわち、第１の電流源１５１と第２の電流源１５２は、一つの共通の電流源であってもよい。
【００９９】
（第６実施形態）
第６実施形態に係る磁気記憶素子６を、図１３を用いて説明する。
図１３は、第６実施形態に係る磁気記憶素子６の斜視図である。
第６実施形態は第１実施形態と比較して、第４の電極１０４を、さらに有する点で異なる。第４の電極１０４は、第３の磁性部３０３に接続されている。第４の電極１０４は、読み出し動作および書き込み動作に用いられる
本実施形態において、第３の電極１０３と第４の電極１０４は、第１の電流源１５１に接続されている。また、第１の電極１０１と第２の電極１０２は、第２の電流源１５２に接続されている。
第４の電極１０４には、例えば、第３の電極１０３と同様の材料を用いることができる。他の各構成要素の材料に関しては、第１実施形態に係る磁気記憶素子１と同様である。
【０１００】
第４の電極１０４は、第３の磁性部３０３を囲うように設けられている。第３の磁性部３０３が単磁区構造を有する場合は、第４の電極１０４は、第１の磁性部３０１の、第１の磁性部３０１と第３の磁性部３０３との接続部付近、および、第２の磁性部３０２の、第２の磁性部３０２と第３の磁性部３０３との接続部付近、の両方に接するように、これらの接続部を囲って設けられものであってもよい。この場合、第４の電極１０４は、これらの接続部付近を介して、第３の磁性部３０３に接続される。あるいは、これらの接続部付近と、第３の磁性部３０３の両方を囲うように設けられていてもよい。
【０１０１】
あるいは、第４の電極１０４は、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２の間以外であって、第３の磁性部３０３と、第１の磁性部３０１の第１の磁性部３０１と第３の磁性部３０３との接続部付近と、第２の磁性部３０２の第２の磁性部３０２と第３の磁性部３０３との接続部付近と、のいずれかに接して設けられるものであってもよい。あるいは、第４の電極１０４は、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２の間以外であって、第３の磁性部３０３に接して設けられるものであってもよい。
第４の電極１０４は、読み出し動作時および書き込み動作時の電流が、第３の磁性部３０３を流れるように、読み出し書き込み部２０３と直接接触しない位置に設けられる。
【０１０２】
磁気記憶素子６の作製方法について説明する。
まず、図４（ａ）〜（ｃ）の工程と同様の工程を行う。
その後、Ｙ軸方向に延びるスペースを埋め込む際に、スペースの最上部を電極材料で埋め込む。
続いて、図４（ｅ）と同様の工程を行い、Ｘ軸方向に延びるスペースを埋め込む際に、スペースの最上部を電極材料で埋め込む。
その後、例えば、図５（ｄ）の工程において、磁性膜等を加工して第３の磁性部３０３、読み出し書き込み部２０３、および第３の電極１０３を形成する際に、埋め込みに用いられた最上部の電極材料を、第４の電極１０４のパターンに形成する。
【０１０３】
磁気記憶素子６の読み出し動作および書き込み動作について説明する。
磁化固着層２０１の磁化方向と同じ方向の磁気ビットを第３の磁性部３０３に書き込む場合は、第１の電流源１５１を用いて、第４の電極１０４から、第３の電極１０３に電流を流す。電子は、電流と逆向きに流れるため、この場合、電子は、第３の電極１０３から第４の電極１０４に流れる。
【０１０４】
電子は、磁化固着層２０１を通過する際に、スピン偏極される。このスピン偏極された電子は、非磁性層２０２を通って第３の磁性部３０３の書き込みを行うべき領域に流れる。そして、書き込みを行うべき領域と同じ方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、書き込み行うべき領域を通過する。しかし、書き込みを行うべき領域の磁化方向と異なる方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、書き込みを行うべき領域の磁化にスピントルクを与える。書き込みを行うべき領域の磁化に対して与えられたスピントルクは、書き込みを行うべき領域の磁化方向が、磁化固着層２０１の磁化方向と同じ方向を向くように働く。これにより、書き込みを行うべき領域の磁化は磁化固着層２０１の磁化と同じ方向となるように制御される。
【０１０５】
磁化固着層２０１の磁化方向と異なる方向の磁気ビットを第３の磁性部３０３に書き込む場合は、第３の磁性部３０３の磁気ビットに磁化固着層２０１の磁化方向と同方向の書き込みを行う場合と逆方向の電流を流す。すなわち、電子を第４の電極１０４から第３の電極１０３に向けて流す。
【０１０６】
電子が磁化固着層２０１を通過する際に、磁化固着層２０１の磁化と同じ方向のスピンを有する電子は磁化固着層２０１を通過するが、磁化固着層２０１の磁化と異なる方向のスピンを有する電子は非磁性層２０２と磁化固着層２０１との界面で反射され、第３の磁性部３０３の書き込みを行うべき領域に流入する。そして、磁化固着層２０１の磁化と異なる方向のスピンを有するスピン偏極された電子は、第３の磁性部３０３の書き込みを行うべき領域の磁化にスピントルクを与える。書き込み行うべき領域の磁化に対して与えられたスピントルクは、書き込みを行うべき領域の磁化方向が、磁化固着層２０１の磁化方向と異なる方向を向くように働く。これにより、書き込み行うべき領域の磁化は磁化固着層２０１の磁化と異なる方向となるように制御される。
【０１０７】
読み出しの場合は、第４の電極１０４と、第３の電極１０３と、の間に定電流を流す、あるいは定電圧を与える。このとき、第３の磁性部３０３中の読み出しを行うべき領域の磁化方向と、磁化固着層２０１の磁化方向と、がなす角度によって、第４の電極１０４と、第３の電極１０３と、の間の電気抵抗が変わる。具体的には、読み出しを行うべき領域の磁化方向と磁化固着層２０１の磁化方向が同じとき上記抵抗値は低い値となり、読み出しを行うべき領域の磁化方向と磁化固着層２０１の磁化方向が反対のとき上記抵抗値は高い値となる。磁化固着層２０１と第３の磁性部３０３の間に電流を流した際の抵抗値を検出することで、読み出しを行うべき領域の磁化方向を検出し、情報の読み出しを行う。
【０１０８】
読み出し動作時および書き込み動作時の電流は、上述したとおり、第３の電極１０３と第４の電極１０４の間を流れる。このため、第１の磁性部３０１には、第１の磁性部３０１のうち第１の磁性部３０１と第３の磁性部３０３との接続部付近にしか電流が流れない。また、第２の磁性部３０２においても、第２の磁性部３０２のうち第２の磁性部３０２と第３の磁性部３０３との接続部付近にしか電流が流れない。従って、読み出し動作時および書き込み動作時の電流によって、第２の磁性部３０２と第３の磁性部３０３の磁壁が誤ってシフトするエラーを低減することができる。
【０１０９】
第４の電極１０４は、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２の間以外の位置に設けられているため、第１の磁性部３０１と第２の磁性部３０２を互いに近接させて設けることが可能となる。このため、磁性部を高密度に設けることが可能である。
【０１１０】
また、第４の電極１０４は、第３の磁性部３０３の外周部に設けられているため、読み出し動作時および書き込み動作時の電流が第３の磁性部３０３中を均等に流れ、読み出し動作時および書き込み動作時の入出力を安定して行うことができる。
【０１１１】
なお、メモリシフト動作に関しては、第１実施形態と同様に、第２の電流源１５２を用いて、第１の電極１０１と第２の電極１０２の間に電流を流すことで行われる。また、第２実施形態のように、磁気記憶素子６の各構成要素の順序を、Ｚ軸方向において、図１３に表す磁気記憶素子６と反対に設けることも可能である。
【０１１２】
（第７実施形態）
第７実施形態に係る磁気メモリ７について図１４を用いて説明する。
図１４は、第７実施形態に係る磁気メモリ７の模式図である。
磁気メモリ７は、第１実施形態に係る磁気記憶素子１が複数設けられ、例えば、シフトレジスタ型のメモリを構成している。
【０１１３】
磁気メモリ７は、磁気記憶素子１と、第１のトランジスタ８０１と、第２のトランジスタ８０２と、第１のセレクタ８１１と、第２のセレクタ８１２と、電流源回路８２０と、抵抗値検出部８３０と、を備える。
【０１１４】
第１のセレクタ８１１は、第１のビット線ＢＬ１、第１のワード線ＷＬ１、および第２のワード線ＷＬ２と接続されている。第２のセレクタ８１２は、第２のビット線ＢＬ２および第３のビット線ＢＬ３と接続されている。
第３の電極１０３は、第１のビット線ＢＬ１と接続されている。
第１のトランジスタ８０１のゲートは、第１のワード線ＷＬ１に接続されている。第１のトランジスタ８０１のゲート以外の一方の端子は、第１の電極１０１に接続され、他方の端子は、第２のビット線ＢＬ２に接続されている。
第２のトランジスタ８０２のゲートは、第２のワード線ＷＬ２に接続されている。第２のトランジスタ８０２のゲート以外の一方の端子は、第２の電極１０２に接続され、他方の端子は、第３のビット線ＢＬ３に接続されている。
【０１１５】
第１のセレクタ８１１と第２のセレクタ８１２には、第１の電流源１５１および第２の電流源１５２としての機能を有する電流源回路８２０が接続されている。
第１のセレクタ８１１と第２のセレクタ８１２には、抵抗値検出部８３０が接続されている。抵抗値検出部８３０は、第１の電極１０１に接続された第２のビット線ＢＬ２および第２の電極１０２に接続された第３のビット線ＢＬ３と、第３の電極１０３に接続された第１のビット線ＢＬ１と、の間の抵抗値の変化を検出可能である。
【０１１６】
例えば、電流源回路８２０により、第１の電極１０１および第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、の間に定電流を流し、第１の電極１０１および第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、の間の電圧の変化を抵抗値検出部８３０で検出することで、抵抗値の変化を検出することが可能である。あるいは、電流源回路８２０により、第１の電極１０１および第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、の間に定電圧を印加し、第１の電極１０１および第２の電極１０２と、第３の電極１０３と、の間に流れる電流の変化を抵抗値検出部８３０で検出することで、抵抗値の変化を検出することが可能である。
【０１１７】
磁気記憶素子１を磁気メモリに用いることで、磁気メモリの磁気記録密度をより向上させることが可能となる。
なお、本実施形態において、磁気記憶素子１を複数有する磁気メモリ７の例を示したが、磁気メモリ７は、第１実施形態に係る磁気記憶素子１に代えて、他の実施形態に係る磁気記憶素子を複数有していてもよい。
【０１１８】
（第８実施形態）
第８実施形態に係る磁気メモリ８について図１５を用いて説明する。
図１５は、第８実施形態に係る磁気メモリ８の模式図である。
磁気メモリ８は、第６実施形態に係る磁気記憶素子６が複数設けられ、例えば、シフトレジスタ型のメモリを構成している。
【０１１９】
磁気メモリ８は、磁気記憶素子６と、第１のトランジスタ８０１と、第２のトランジスタ８０２と、第１のセレクタ８１１と、第２のセレクタ８１２と、電流源回路８２０と、抵抗値検出部８３０と、を備える。
【０１２０】
第１のセレクタ８１１は、第１のビット線ＢＬ１、第１のワード線ＷＬ１、および第２のワード線ＷＬ２と接続されている。第２のセレクタ８１２は、第２のビット線ＢＬ２、第３のビット線ＢＬ３、および第４のビット線ＢＬ４と接続されている。
第３の電極１０３は、第１のビット線ＢＬ１と接続されている。
第４の電極１０４は、第４のビット線ＢＬ４と接続されている。
第１のトランジスタ８０１のゲートは、第１のワード線ＷＬ１に接続されている。第１のトランジスタ８０１のゲート以外の一方の端子は、第１の電極１０１に接続され、他方の端子は、第２のビット線ＢＬ２に接続されている。
第２のトランジスタ８０２のゲートは、第２のワード線ＷＬ２に接続されている。第２のトランジスタ８０２のゲート以外の一方の端子は、第２の電極１０２に接続され、他方の端子は、第３のビット線ＢＬ３に接続されている。
【０１２１】
第１のセレクタ８１１と第２のセレクタ８１２には、第１の電流源１５１および第２の電流源１５２としての機能を有する電流源回路８２０が接続されている。
第１のセレクタ８１１と第２のセレクタ８１２には、抵抗値検出部８３０が接続されている。抵抗値検出部８３０は、第３の電極１０３に接続された第１のビット線ＢＬ１と、第４の電極１０４に接続された第４のビット線ＢＬ４と、の間の抵抗値の変化を検出可能である。
【０１２２】
例えば、電流源回路８２０により、第３の電極１０３と第４の電極１０４の間に定電流を流し、第３の電極１０３と第４の電極１０４の間の電圧の変化を抵抗値検出部８３０で検出することで、抵抗値の変化を検出することが可能である。あるいは、電流源回路８２０により、第３の電極１０３と第４の電極１０４の間に定電圧を印加し、第３の電極１０３と第４の電極１０４の間に流れる電流の変化を抵抗値検出部８３０で検出することで、抵抗値の変化を検出することが可能である。
【０１２３】
磁気記憶素子６を磁気メモリに用いることで、磁気メモリの磁気記録密度をより向上させることが可能となる。
【０１２４】
本願明細書において、「直交」、「垂直」及び「平行」という言葉は、製造工程におけるばらつきを含むものである。従って、実質的に直交、垂直または平行であれば良い。
【０１２５】
（付記１）
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
前記第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた第３の磁性部と、
前記第３の磁性部に接続された非磁性層と、前記非磁性層に接続された磁化固着層とを含む読み出し書き込み部と、
前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し書き込み部に接続された第３の電極と、
を備えた磁気記憶素子の動作方法であって、
前記第１の電極と、前記第２の電極と、の間に電流を流すことで、前記第１の磁性部の前記磁区と前記第２の磁性部の前記磁区とを移動させる磁気記憶素子の動作方法。
【０１２６】
（付記２）
前記第１の磁性部の前記磁区と前記第２の磁性部の前記磁区とを移動させた後に、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流し、前記第３の磁性部の磁化方向を制御する付記１に記載の磁気記憶素子の動作方法。
【０１２７】
（付記３）
前記第１の磁性部の前記磁区と前記第２の磁性部の前記磁区とを移動させた後に、前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流し、前記第３の磁性部の磁化方向を検出する付記１に記載の磁気記憶素子の動作方法。
【０１２８】
（付記４）
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
前記第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた第３の磁性部と、
前記第３の磁性部に接続された非磁性層と、前記非磁性層に接続された磁化固着層とを含む読み出し書き込み部と、
前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し書き込み部に接続された第３の電極と、
を備えた磁気記憶素子の動作方法であって、
前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流し、前記第３の磁性部の磁化方向を制御する磁気記憶素子の動作方法。
【０１２９】
（付記５）
前記第３の磁性部の磁化方向を制御した後に、前記第１の電極と、前記第２の電極と、の間に電流を流すことで、前記第１の磁性部の前記磁区と前記第２の磁性部の前記磁区とを移動させる付記４に記載の磁気記憶素子の動作方法。
【０１３０】
（付記６）
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
前記第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する第２の方向に延びた第３の磁性部と、
前記第３の磁性部に接続された非磁性層と、前記非磁性層に接続された磁化固着層とを含む読み出し書き込み部と、
前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し書き込み部に接続された第３の電極と、
を備えた磁気記憶素子の動作方法であって、
前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流し、前記第３の磁性部の磁化方向を検出する磁気記憶素子の動作方法。
【０１３１】
（付記７）
前記第３の磁性部の磁化方向を検出した後に、前記第１の電極と、前記第２の電極と、の間に電流を流すことで、前記第１の磁性部の前記磁区と前記第２の磁性部の前記磁区とを移動させる付記６に記載の磁気記憶素子の動作方法。
【０１３２】
（付記８）
基板上に第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層に第３方向に延びる開口を形成し、
前記基板上、および前記開口が形成された前記第１の絶縁層上に磁性膜を成膜し、
前記磁性膜が成膜された前記第１の絶縁層の前記開口に絶縁材料を埋め込むことで、前記磁性膜の少なくとも一部が内部に埋め込まれた第２の絶縁層を形成し、
前記第２の絶縁層に前記第３方向と交差する前記第２方向に延びる開口を形成することで、前記第３方向において互いに離間した複数の磁性部を形成し、
前記第２の絶縁層の前記開口に絶縁材料を埋め込むことで、複数の磁性部が埋め込まれた第３の絶縁層を形成し、
前記第３の絶縁層上に、前記第２方向および前記第３方向と交差する方向から見た場合に、複数の前記磁性部のうち少なくとも２つの前記磁性部と重なるように磁性層、非磁性層、および磁化固着層を順に形成する磁気記憶素子の製造方法。
【０１３３】
（付記９）
下方から順に磁化固着層、非磁性層、および磁性層が形成された基板上に、第１の絶縁層を形成し、
前記第１の絶縁層に、前記磁性層の第２方向の両端が露出するように、前記第２方向と交差する第３方向に延びる開口を形成し、
前記基板上および前記開口が形成された前記絶縁層上に、前記磁性層の前記第２方向の両端と接する磁性膜を成膜し、
前記磁性膜が成膜された前記絶縁層の前記開口に絶縁材料を埋め込むことで、前記磁性膜の少なくとも一部が内部に埋め込まれた第２の絶縁層を形成し、
前記磁性層上の前記第２の絶縁層を残すように、前記第２の絶縁層に前記第２方向に延びる開口を形成することで、前記第３方向において互いに離間した複数の磁性部を形成する磁気記憶素子の製造方法。
【０１３４】
（付記１０）
前記磁性膜を成膜した後であって前記第２の絶縁層を形成する前に、前記第１の絶縁層の上面および前記第３方向に延びる前記開口の底部に成膜された前記磁性膜を除去する付記８または９に記載の磁気記憶素子の製造方法。
【０１３５】
（付記１１）
前記第１の絶縁層は、互いにエッチングレートの異方性が異なる２つ以上の膜を交互に積層して形成され、
前記第３方向に延びる前記開口は、ＲＩＥ法によって形成され、
前記第１の絶縁層の前記開口は、前記第１方向において周期的に、前記第２方向の寸法が狭い部分を有する付記８〜１０のいずれか１つに記載の磁気記憶素子の製造方法。
【０１３６】
（付記１２）
前記磁性膜は、前記第２方向に磁化容易軸を有するように成膜される付記８〜１１のいずれか１つに記載の磁気記憶素子の製造方法。
【０１３７】
（付記１３）
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する方向に延びている第３の磁性部と、
を含む構造体が、前記第１の方向と交差する方向に複数配列された構造体アレイと、
前記構造体の前記第１の磁性部と、それに隣接する他の前記構造体の前記第２の磁性部と、に接続された第４の磁性部と、
複数の前記構造体のうち、少なくとも１つの前記第３の磁性部上に設けられた読み出し書き込み部と、
前記第４の磁性部と接続されていない前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第４の磁性部と接続されていない前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し書き込み部素子に接続された第３の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流す第１の電流源と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電流を流す第２の電流源と、
を備えた磁気記憶素子。  
【０１３８】
（付記１４）
第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第１の磁性部と、
第１の磁性部と離間して設けられ、前記第１の方向に延び、前記第１の方向と交差する方向に磁化容易軸を有し、前記第１の方向に複数の磁区を保持可能である第２の磁性部と、
前記第１の磁性部の前記第１の方向の一端および前記第２の磁性部の前記第１の方向の一端と接続され、前記第１の方向と交差する方向に延びている第３の磁性部と、
を含む構造体が、前記第１の方向と交差する方向に複数配列された構造体アレイと、
前記構造体の前記第１の磁性部と、それに隣接する他の前記構造体の前記第２の磁性部と、に接続された第４の磁性部と、
複数の前記構造体のうち、少なくとも１つの前記第３の磁性部上に設けられた読出し部と、
複数の前記構造体のうち、前記読み出し部が設けられた前記第３の磁性部以外の前記第３の磁性部のうち、少なくとも１つの前記第３の磁性部上に設けられた書き込み部と、
前記第４の磁性部と接続されていない前記第１の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第１の電極と、
前記第４の磁性部と接続されていない前記第２の磁性部の、前記第１の方向の他端に接続された第２の電極と、
前記読み出し部に接続された第３の電極と、
前記書き込み部に接続された第４の電極と、
前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第３の電極と、の間に電流を流す第１の電流源と、
前記第１の電極および前記第２の電極の少なくとも一方と、前記第４の電極と、の間に電流を流す第２の電流源と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に電流を流す第３の電流源と、
を備えた磁気記憶素子。
【０１３９】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、各磁性部、非磁性層、磁化固着層、電極、電流源回路、抵抗値検出部、セレクタなどの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１４０】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気記憶素子、磁気メモリ、磁気記憶素子の動作方法、および磁気記憶素子の製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての形態も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１４１】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１４２】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１４３】
１、２、３、４、５、６…磁気記憶素子  ７、８…磁気メモリ  １０１、１０２、１０３、１０４、１０５…電極  １０３ａ…金属膜  １５１、１５２、１５３…電流源  ２０１、２０１１、２０１２…磁化固着層  ２０１ａ…磁化固着膜  ２０２、２０２１、２０２２…非磁性層  ２０２ａ…非磁性膜  ２０３…読み出し書き込み部  ２０４…読み出し部  ２０５…書き込み部  ３０１、３０２、３０３、３０４、３０５…磁性部  ４００…基板  ４０１、４０１ａ、…絶縁層  ４０２…磁性膜  ４０２ａ、４０２ｂ、４０２ｃ、４０２ｄ…磁性部  ４０３、４０３ａ、４０４…絶縁層  ４０５…磁性層  ４０５ａ…磁性膜  ５０１、５０２…磁区  ５０３…磁壁  ８０１、８０２…トランジスタ  ８１１、８１２…セレクタ  ８２０…電流源回路  ８３０…抵抗値検出部
【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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【図１５】
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