特開 2024-92593 多値磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、多値磁気メモリ素子の制御方法、および制御プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024092593

(43)【公開日】2024-07-08

(54)【発明の名称】多値磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、多値磁気メモリ素子の制御方法、および制御プログラム

(51)【国際特許分類】

   H10B 61/00 20230101AFI20240701BHJP

   H10N 50/20 20230101ALI20240701BHJP

【ＦＩ】

H10B61/00

H10N50/20

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022208638

(22)【出願日】2022-12-26

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）「３次元磁気メモリの開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】399030060

【氏名又は名称】学校法人 関西大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】本多 周太

【テーマコード（参考）】

4M119

5F092

【Ｆターム（参考）】

4M119BB01

4M119BB03

4M119CC05

4M119CC10

4M119DD05

4M119DD17

4M119DD24

4M119HH01

4M119HH04

5F092AB06

5F092AC08

5F092AC12

5F092AD03

5F092AD23

5F092AD25

5F092AD26

5F092BB23

5F092BB31

5F092BB35

5F092BB36

5F092BB43

5F092BC03

5F092DA04

(57)【要約】

【課題】複数のビットを効率的に書き込むことができる多値磁気メモリ素子を提供する。
【解決手段】多値磁気メモリ素子（１１）は、複数のビットに対応する複数の磁区を書き込み可能な磁性細線（２２）と、磁性細線の一端と固定層（２４）との間に配置された中間層（２３）と、磁性細線の他端（２７）に接続され、第１方向に磁化方向が固定された第１固定部（５１）と、他端に接続され、第２方向に磁化方向が固定された第２固定部（５２）と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のビットに対応する複数の磁区を書き込み可能な磁性細線と、
所定の磁化方向を維持する固定層と、
前記磁性細線の一端と前記固定層との間に配置された中間層と、
前記磁性細線の他端に接続され、第１方向に磁化方向が固定された第１固定部と、
前記磁性細線の前記他端に接続され、前記第１方向とは異なる第２方向に磁化方向が固定された第２固定部と、を備える、多値磁気メモリ素子。

【請求項2】

前記第１固定部は、前記磁性細線の他端の端面の一部である第１領域に接続され、
前記第２固定部は、前記磁性細線の前記他端の前記端面の一部である第２領域に接続されている、請求項１に記載の多値磁気メモリ素子。

【請求項3】

請求項１または２に記載の多値磁気メモリ素子と、
書き込み時において、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部または前記第２固定部に電流を流すことによって、前記磁性細線に磁区を書き込むコントローラと、を備える、磁気メモリ装置。

【請求項4】

書き込み時において、前記コントローラは、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部に流れる第１電流と、前記磁性細線の前記一端から前記第２固定部に流れる第２電流との両方を流すことによって、前記磁性細線に１つの磁区を書き込む、請求項３に記載の磁気メモリ装置。

【請求項5】

書き込み時において、前記コントローラは、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部に流れる第１電流と、前記第２固定部から前記磁性細線の前記他端を通って前記第１固定部に流れる第２電流との両方を流すことによって、前記磁性細線に前記第１方向の磁化方向を有する磁区を書き込む、請求項３に記載の磁気メモリ装置。

【請求項6】

前記コントローラは、読み出し時において、
前記中間層に第３電流を流すことによって、前記磁性細線の前記一端側の磁区が有する磁化方向に対応するビットを読み出し、かつ、
読み出されたビットに対応する磁化方向を有する磁区を前記磁性細線に新たに書き込むことによって、前記磁性細線の中の複数の磁区を前記一端側に移動させる、請求項３に記載の磁気メモリ装置。

【請求項7】

請求項１または２に記載の複数の多値磁気メモリ素子を備え、
前記複数の多値磁気メモリ素子は、第１多値磁気メモリ素子と第２多値磁気メモリ素子とを含み、
前記第１多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記磁性細線とは、共通の第１固定部に接続されている、磁気メモリ装置。

【請求項8】

前記第１多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記磁性細線とは、それぞれ異なる第２固定部に接続されている、請求項７に記載の磁気メモリ装置。

【請求項9】

前記第１多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第１上流配線と、
前記第２多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第２上流配線と、を備える、請求項７に記載の磁気メモリ装置。

【請求項10】

請求項１または２に記載の複数の多値磁気メモリ素子を備え、
複数の多値磁気メモリ素子は、第１多値磁気メモリ素子と第２多値磁気メモリ素子と第３多値磁気メモリ素子と第４多値磁気メモリ素子とを含み、
前記第１多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第３多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第４多値磁気メモリ素子の前記磁性細線とは、共通の第１固定部に接続されており、
前記第１多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第１上流配線と、
前記第２多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第２上流配線と、
前記第３多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第３上流配線と、
前記第４多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第４上流配線と、を備える、磁気メモリ装置。

【請求項11】

複数のビットに対応する複数の磁区を書き込み可能な磁性細線と、
所定の磁化方向を維持する固定層と、
前記磁性細線の一端と前記固定層との間に配置された中間層と、
前記磁性細線の他端に接続され、第１方向に磁化方向が固定された第１固定部と、
前記磁性細線の前記他端に接続され、前記第１方向とは異なる第２方向に磁化方向が固定された第２固定部と、を備える、多値磁気メモリ素子の制御方法であって、
書き込み時において、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部または前記第２固定部に電流を流すことによって、前記磁性細線に磁区を書き込む、多値磁気メモリ素子の制御方法。

【請求項12】

請求項３に記載の磁気メモリ装置の前記コントローラとしてコンピュータを機能させるための制御プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ナノスケールの磁気構造体を含む多値磁気メモリ素子、磁気メモリ装置、多値磁気メモリ素子の制御方法、および制御プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、消費電力を低減させる観点、または、振動が多い悪環境下で不具合無く動作させる観点から、記憶したデータを保持するための電力を必要としない不揮発性メモリの開発が進められている。磁気を利用した不揮発性メモリとしては、磁気抵抗メモリ（Magnetoresistive Random Access Memory、ＭＲＡＭ）などの磁気メモリが挙げられる。

【0003】

ＭＲＡＭは、磁気抵抗効果(Magnetic Resistance effect、ＭＲ)素子を備える。ＭＲ素子は、磁化方向が可変な自由層と、所定の磁化方向を維持する固定層（ピン層）と、上記自由層および上記固定層の間に絶縁層とを備える。上記自由層と上記固定層と上記絶縁層とで、磁気トンネル接合(Magnetic Tunnel Junction、ＭＴＪ)を形成する。ＭＲＡＭは、上記自由層の磁化の向きに応じて上記ＭＲ素子の電気抵抗が変化する性質を利用して、データの読み書きを行う。

【0004】

特許文献１には、磁化自由層と磁性挿入層とを備える磁気抵抗効果素子が開示されている。

【0005】

特許文献２、３には、磁化自由領域を備える磁気メモリ素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】国際公開WO2010/095589

【特許文献2】国際公開WO2011/118395

【特許文献3】国際公開WO2012/160937

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記のような磁気抵抗効果素子または磁気メモリ素子においては、複数のビットを効率的に読み書きすることができない。特許文献１、３に記載の構成では、磁化方向が可変の磁性挿入層または応答層は、磁化自由層または磁化自由領域と磁気結合している。磁化方向の自由度が実質的にないため、１つの磁気抵抗効果素子または磁気メモリ素子が記憶できる情報は、１ビットのみである。また、特許文献１－３に記載の構成では、磁壁が移動する方向が、磁化固定層およびスペーサ層（非磁性層）に対して平行である（磁化自由層と磁化固定層とが積層する方向に対して垂直である）。そのため、特許文献１－３に記載の構成では、読み取り可能な形で複数のビットを書き込むことができない。

【0008】

本発明の一態様は、複数のビットを効率的に書き込むことができる多値磁気メモリ素子または磁気メモリ装置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】

本発明の一態様に係る多値磁気メモリ素子は、複数のビットに対応する複数の磁区を書き込み可能な磁性細線と、所定の磁化方向を維持する固定層と、前記磁性細線の一端と前記固定層との間に配置された中間層と、前記磁性細線の他端に接続され、第１方向に磁化方向が固定された第１固定部と、前記磁性細線の前記他端に接続され、前記第１方向とは異なる第２方向に磁化方向が固定された第２固定部と、を備える。

【0010】

本発明の一態様に係る多値磁気メモリ素子の制御方法は、複数のビットに対応する複数の磁区を書き込み可能な磁性細線と、所定の磁化方向を維持する固定層と、前記磁性細線の一端と前記固定層との間に配置された中間層と、前記磁性細線の他端に接続され、第１方向に磁化方向が固定された第１固定部と、前記磁性細線の前記他端に接続され、前記第１方向とは異なる第２方向に磁化方向が固定された第２固定部と、を備える、多値磁気メモリ素子の制御方法であって、書き込み時において、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部または前記第２固定部に電流を流すことによって、前記磁性細線に磁区を書き込む。

【0011】

上記の構成によれば、磁性細線の一端から第１固定部または第２固定部に電流を流すことによって、磁性細線に磁区を書き込むことができる。磁区を分ける磁壁は電流の向きとは反対方向に移動する。それゆえ、磁性細線に複数のビットを効率よく書き込むことができる。

【0012】

上記多値磁気メモリ素子では、前記第１固定部は、前記磁性細線の他端の端面の一部である第１領域に接続され、前記第２固定部は、前記磁性細線の前記他端の前記端面の一部である第２領域に接続されている構成であってもよい。

【0013】

本発明の一態様に係る磁気メモリ装置は、前記多値磁気メモリ素子と、書き込み時において、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部または前記第２固定部に電流を流すことによって、前記磁性細線に磁区を書き込むコントローラと、を備える。

【0014】

上記磁気メモリ装置では、書き込み時において、前記コントローラは、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部に流れる第１電流と、前記磁性細線の前記一端から前記第２固定部に流れる第２電流との両方を流すことによって、前記磁性細線に１つの磁区を書き込む構成であってもよい。

【0015】

上記磁気メモリ装置では、書き込み時において、前記コントローラは、前記磁性細線の前記一端から前記第１固定部に流れる第１電流と、前記第２固定部から前記磁性細線の前記他端を通って前記第１固定部に流れる第２電流との両方を流すことによって、前記磁性細線に前記第１方向の磁化方向を有する磁区を書き込む構成であってもよい。

【0016】

上記磁気メモリ装置では、前記コントローラは、読み出し時において、前記中間層に第３電流を流すことによって、前記磁性細線の前記一端側の磁区が有する磁化方向に対応するビットを読み出し、かつ、読み出されたビットに対応する磁化方向を有する磁区を前記磁性細線に新たに書き込むことによって、前記磁性細線の中の複数の磁区を前記一端側に移動させる構成であってもよい。

【0017】

本発明の一態様に係る磁気メモリ装置は、複数の前記多値磁気メモリ素子を備え、複数の多値磁気メモリ素子は、第１多値磁気メモリ素子と第２多値磁気メモリ素子とを含み、前記第１多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記磁性細線とは、共通の第１固定部に接続されている。

【0018】

上記磁気メモリ装置では、前記第１多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記磁性細線とは、それぞれ異なる第２固定部に接続されている構成であってもよい。

【0019】

上記磁気メモリ装置では、前記第１多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第１上流配線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第２上流配線と、を備える構成であってもよい。

【0020】

本発明の一態様に係る磁気メモリ装置は、複数の前記多値磁気メモリ素子を備え、複数の多値磁気メモリ素子は、第１多値磁気メモリ素子と第２多値磁気メモリ素子と第３多値磁気メモリ素子と第４多値磁気メモリ素子とを含み、前記第１多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第３多値磁気メモリ素子の前記磁性細線と、前記第４多値磁気メモリ素子の前記磁性細線とは、共通の第１固定部に接続されており、前記第１多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第１上流配線と、前記第２多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第２上流配線と、前記第３多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第３上流配線と、前記第４多値磁気メモリ素子の前記固定層または前記中間層に接続された第４上流配線と、を備える。

【0021】

本発明の各態様に係る磁気メモリ装置のコントローラは、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを前記コントローラが備える各部（ソフトウェア要素）として動作させることにより前記コントローラをコンピュータにて実現させるコントローラの制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。

【発明の効果】

【0022】

本発明の一態様によれば、複数のビットを効率的に書き込むことができる多値磁気メモリ素子または磁気メモリ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】一実施形態に係る磁気メモリ装置の概略構成を示す斜視図である。

【図2】上記磁気メモリ装置におけるコントローラの概略構成を示すブロック図である。

【図3】磁性細線の各位置における磁化方向を模式的に示す断面図である。

【図4】多値磁気メモリ素子において新たな磁区を書き込む様子をシミュレーションした結果を模式的に示す断面図である。

【図5】図４の続きを示す断面図である。

【図6】書き込み時の電流の他の例を模式的に示す断面図である。

【図7】書き込み時の電流の他の例を模式的に示す断面図である。

【図8】読み出し時の磁気メモリ装置の動作を示す図である。

【図9】一実施形態の磁気メモリ装置の概略構成の一部を示す斜視図である。

【図10】一実施形態の磁気メモリ装置の概略構成の一部を示す平面図である。

【図11】一実施形態の磁気メモリ装置の概略構成の一部を示す平面図である。

【図12】一実施形態の多値磁気メモリ素子の概略構成を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。なお、説明の便宜上、各実施形態に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付記し、適宜その説明を省略する。また、図面に記載のｘ、ｙ、およびｚを用いて方向を特定する。

【0025】

図１は、一実施形態に係る磁気メモリ装置の概略構成を示す斜視図である。磁気メモリ装置１は、多値磁気メモリ素子１１と、コントローラ１２とを含む。

【0026】

（多値磁気メモリ素子）
多値磁気メモリ素子１１は、磁性細線２２、中間層２３、固定層２４、第１固定部５１、および第２固定部５２を備える。多値磁気メモリ素子１１は、複数のビットを記憶可能な磁気メモリ素子である。

【0027】

磁性細線２２は、複数のビットに対応する複数の磁区を書き込み可能な磁性体である。例えば、図１において、上向きの磁化方向を有する磁区が、ビット「１」に対応し、下向きの磁化方向を有する磁区が、ビット「０」に対応する。磁性細線２２は、磁気異方性を有する磁性体である。磁性細線２２は、細長い形状の磁性体として形成されている。図１では、磁性細線２２はＺ軸方向に延伸する細線である。磁性細線２２は、柱状部材であってもよい。磁性細線２２は、強磁性金属の部材であってもよい。磁性細線２２は、磁性細線２２内を電流が流れることにより磁壁（一定の磁化方向を有する区間（磁区）の境界）が移動する磁壁移動型メモリとして機能する。磁性細線２２を長くすると記憶容量が大きくなる。磁性細線２２の幅が略一定であれば（磁性細線２２が柱状であれば）、磁区の移動が安定する。なお、柱状の磁性細線２２の幅は、連続的に緩やかに変化してもよい（両端で太さが異なってもよい）。

【0028】

例えば、磁性細線２２は、Ｃｏ／Ｎｉ多層膜、ＣｏＮｉ系合金、Ｃｏ／Ｐｄ多層膜、ＣｏＰｄ合金、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＣｏＰｔ合金、Ｆｅ／Ｐｔ多層膜、Ｆｅ／Ｐｄ多層膜、ＦｅＰｔ合金、ＦｅＰｄ合金、Ｔｂ／ＦｅＣｏ多層膜、ＴｂＦｅＣｏ合金、ＣｏＦｅ合金、ＣｏＦｅＢ合金、Ｆｅ／Ｎｉ多層膜、ＦｅＮｉ合金、ＭｎＧａ合金、ＭｎＡｌ合金、ＭｎＢｉ合金、ＭｎＧｅ合金、ＣｒＰｔ_３合金、ＭｎＣｒ／ＡｌＧｅ多層膜等で構成されることが好適である。

【0029】

磁性細線２２の断面は、円形、楕円形、多角形など、多種多様な断面形状を採りうる。また、磁性細線２２の太さ（断面の幅）が同一細線内で変わっても良い。ただし、磁性細線２２は、円型など角が少ない断面形状で、幅が一様、かつ、延伸方向に長い、ことが望ましい。

【0030】

中間層２３は、磁性細線２２の一端２８と、固定層２４との間に配置されている。中間層２３と、磁性細線２２の一端２８と、固定層２４とは、磁気トンネル接合を形成する。中間層２３は、磁性細線２２の一端２８と構造的に接続されている。中間層２３は、例えば非磁性絶縁体の薄膜である。例えば、中間層２３は、絶縁物質を主成分とする層である。中間層２３は、ＭｇＯ等の絶縁膜から構成されている。なお、中間層２３を構成する材料としては、ＮａＣｌ構造を有する酸化物が好ましく、前述したＭｇＯの他、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣａＯ、ＳｒＯ、ＴｉＯ、ＶＯ、ＮｂＯ等が挙げられるが、中間層２３としての機能に支障をきたさない限り、特に限定されるものではない。当該材料として、例えば、スピネル型ＭｇＡｌ_２Ｏ_４なども用いてもよい。本実施形態では、磁性細線２２、絶縁体である中間層２３、および固定層２４によってＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効果）素子を構成しているが、これに限定されるものではない。例えば、中間層２３は、Ｃｕなどの金属の薄膜の導体層であってもよい。この場合、磁性細線２２、導体である中間層２３、および固定層２４は、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗効果）素子を構成する。この場合、中間層２３を構成する金属としては非磁性金属が望ましい。

【0031】

固定層２４は、所定の磁化方向を維持する（磁化方向が第１方向に固定された）層である。固定層２４は、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。すなわち、固定層２４は、磁性細線２２の延伸方向と平行な磁気異方性を有する層である。固定層２４の一端は、中間層２３と構造的に接続されている。固定層２４は、固定層２４に接続された配線を介してコントローラ１２に接続されている。たとえば、固定層２４は、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ、ＦｅＰｔ合金などのＦｅ系材料、ＣｏＰｔ合金、Ｃｏ／Ｐｔ多層膜、ＴｂＦｅＣｏ合金、Ｃｒ_２Ｏ_３、もしくはそれらを複合させたもので構成されてもよい。また、これら強磁性金属と反強磁性層とを積層した構成でもよい。

【0032】

第１固定部５１は、第１方向（上向き、ｚ方向）に磁化方向が固定されている。第１固定部５１は、磁性細線２２の他端２７に接続されている。第１固定部５１は、磁性細線２２の他端２７の端面の一部である第１領域に接続されている。第１固定部５１は、配線を介してコントローラ１２に接続されている。

【0033】

第２固定部５２は、第１方向とは異なる（反対の）第２方向（下向き、－ｚ方向）に磁化方向が固定されている。第２固定部５２は、磁性細線２２の他端２７に接続されている。第２固定部５２は、磁性細線２２の他端２７の端面の他の一部である第２領域に接続されている。第２固定部５２は、配線を介してコントローラ１２に接続されている。第１固定部５１と第２固定部５２との間は、絶縁体（図示せず）で分離されていてもよい。平面視において（ｚ方向からみて）、磁性細線２２の他端２７の端面に対し、第１固定部５１が重なって配置されている。平面視において、磁性細線２２の他端２７の端面に対し、第２固定部５２が重なって配置されている。平面視において、第１固定部５１および第２固定部５２は、互いに重ならず、別々に配置されている。

【0034】

第１固定部５１および第２固定部５２は、垂直磁気異方性を有する強磁性体である。第１固定部５１および第２固定部５２は、固定層２４と同様の材質であり得るが、異なる材質であってもよい。第１固定部５１および第２固定部５２は、互いに同じ材質であってもよいし、互いに異なる材質であってもよい。

【0035】

多値磁気メモリ素子１１の製造において、第１固定部５１および第２固定部５２の磁化方向を互いに逆向きにする必要がある。例えば、多値磁気メモリ素子１１の各構成要素を積層して多値磁気メモリ素子１１を形作った時点では、第１固定部５１および第２固定部５２の磁化方向は所定の向きを向いていなくてもよい。第１固定部５１および固定層２４は、第２固定部５２よりも保磁力が大きいとする。例えば、第１固定部５１および固定層２４の垂直磁気異方性は、第２固定部５２の垂直磁気異方性より大きい（または厚さがより大きい）。形作られた多値磁気メモリ素子１１に対し、まず第１の強さの第１方向（ｚ方向）の外部磁場を印加する。これにより、固定層２４、磁性細線２２、第１固定部５１、および第２固定部５２の磁化方向が第１方向を向く。その後、第１の強さより弱い第２の強さの第２方向（－ｚ方向）の外部磁場を多値磁気メモリ素子１１に印加する。第２の強さの外部磁場は、固定層２４、第１固定部５１の磁化方向を変えず、第２固定部５２の磁化方向を変える強さである。これにより、第２固定部５２のみの磁化方向が反転し、第２方向を向く。

【0036】

（コントローラ）
コントローラ１２は、多値磁気メモリ素子１１への情報の書込および読出を行う。また、コントローラ１２は、磁性細線２２中の情報（磁区）の移動を行う。コントローラ１２は、書き込み時において、固定層２４から（すなわち磁性細線２２の一端２８から）第１固定部５１または第２固定部５２に電流を流すことによって、磁性細線２２に磁区を書き込む。

【0037】

図２は、磁気メモリ装置１におけるコントローラ１２の概略構成を示すブロック図である。コントローラ１２は、第１電流制御部３１、第２電流制御部３２、書込指示部３４、読出指示部３５、および測定部３６を含む。

【0038】

第１電流制御部３１は、第１電流ｉ１の大きさ、向き、および流すタイミングを制御する。第１電流ｉ１は、第１固定部５１からコントローラ１２に流れる電流である。

【0039】

第２電流制御部３２は、第２電流ｉ２の大きさ、向き、および流すタイミングを制御する。第２電流ｉ２は、第２固定部５２からコントローラ１２に流れる電流である。第３電流ｉ３は、固定層２４に接続された配線を流れる電流である。第３電流ｉ３＝第１電流ｉ１＋第２電流ｉ２である。

【0040】

書込指示部３４は、外部の装置から取得したデータを多値磁気メモリ素子１１に書き込むように、第１電流制御部３１および第２電流制御部３２に指示する。

【0041】

読出指示部３５は、多値磁気メモリ素子１１からデータを読み出すように、測定部３６と、第１電流制御部３１および／または第２電流制御部３２とに指示する。読出指示部３５は、測定部３６の測定結果から、磁性細線２２の一端２８側に形成されている磁区が有する磁化方向を特定し、特定した磁化方向に対応するビットの値を特定する。また、読出指示部３５は、多値磁気メモリ素子１１に所定の第３電流ｉ３を流すことで、磁性細線２２に書き込まれている複数の磁区および磁壁を一端２８側（固定層２４側）に移動させる。複数の磁区および磁壁が移動することにより一端２８側から１番目に形成されていた磁区はなくなり、２番目に形成されていた磁区が中間層２３に隣接することになる。磁区が有する磁化方向の読み取りと、磁区の移動とを繰り返すことにより、読出指示部３５は、多値磁気メモリ素子１１に書き込まれている複数のビットを読み出す。

【0042】

測定部３６は、読み出し時において、中間層２３と磁性細線２２の一端２８と、固定層２４とで構成する磁気トンネル接合（ＴＭＲ素子）に第３電流ｉ３を流すことによって磁気トンネル接合の抵抗値を測定する。例えば、測定部３６は、一定の第３電流ｉ３が流れているときの、固定層２４と第１固定部５１または第２固定部５２との間に掛かる電圧を測定する。または、測定部３６は、固定層２４と第１固定部５１および第２固定部５２との間に一定の電圧が掛かっているときの、第３電流ｉ３を測定する。測定部３６は、測定結果を読出指示部３５に出力する。

【0043】

図３は、磁性細線２２の各位置における磁化方向を模式的に示す断面図である。図３には、磁性細線２２、第１固定部５１および第２固定部５２が示されており、各位置における磁化方向が小さい矢印で示されている。図３における右図は、左図における第１固定部５１および第２固定部５２との境界を拡大したものである。図３に示す例では、磁性細線２２の全体に磁化方向が上向き（白抜き矢印）の磁区が形成されている。磁性細線２２と下向きの磁化方向を有する第２固定部５２との間には、上向きの磁化方向を有する磁区と下向きの磁化方向を有する磁区との境界である磁壁２９が存在する。磁壁２９は、例えば磁化方向が横向き（黒い矢印）である部分を含む。

【0044】

（書き込み動作）
図４は、多値磁気メモリ素子１１において新たな磁区を書き込む様子をシミュレーションした結果を模式的に示す断面図である。符号４００における黒矢印は、第２固定部５２と同じ下向きの磁区を書き込むときの、電流を示す。符号４０１～４０５は、電流を流したときの磁性細線２２の中の磁区の時間変化を順に示す。符号４０１～４０５における大きな白抜き矢印は磁区の磁化方向を示し、各位置の小さな矢印は該位置の磁化方向を示す。横向きの磁化方向は小さな黒い矢印で示され、上向きおよび下向きの磁化方向は小さな白い矢印で示される。図４において、磁壁２９は、黒っぽい領域として見える。

【0045】

第２固定部５２と同じ磁化方向（下向き、－ｚ方向）の磁区を書き込む場合、コントローラ１２は、第２固定部５２に第２電流ｉ２を流す。ｉ１＝０、ｉ２＝ｉ３＞０である。電子は電流とは逆向きに、第２固定部５２から磁性細線２２の他端２７に流れ込む。第２固定部５２の磁化方向にスピンが偏った（スピン偏極した）電子が磁性細線２２の他端２７に流れ込むことで、第２固定部５２に隣接する磁性細線２２の部分に下向きの磁化方向を有する磁区が広がっていく。これにより、磁性細線２２の他端２７に新たな下向きの磁区が書き込まれる（符号４０５）。ただし、磁性細線２２に流れる電流のスピン偏極率Ｐが負値の場合には電流の向きが逆になる。以下では、スピン偏極率Ｐが正値であるとして説明する。

【0046】

図５は、図４の続きを示す断面図である。符号４１０における黒矢印は、第１固定部５１と同じ上向きの磁区を書き込むときの、電流を示す。符号４１１～４１５は、電流を流したときの磁性細線２２の中の磁区の時間変化を順に示す。図５における矢印の意味は図４と同じである。

【0047】

符号４０５に示す状態に続いて、第１固定部５１と同じ磁化方向（上向き、ｚ方向）の磁区を書き込む場合、コントローラ１２は、第１固定部５１に第１電流ｉ１を流す。ｉ１＝ｉ３＞０、ｉ２＝０である。これにより、第１固定部５１に隣接する磁性細線２２の部分に上向きの磁化方向を有する磁区が広がっていく。これにより、磁性細線２２の他端２７に新たな上向きの磁区が書き込まれる（符号４０５）。電流が磁性細線２２中を流れることで、磁性細線２２中の各磁区および磁壁は、電流とは反対向きに（電子の流れと同じ向きに）移動する。これにより、先に書き込まれた下向きの磁区は一端２８側に移動する。

【0048】

符号４２５は、続けてさらに第２固定部５２に第２電流ｉ２を流すことにより下向きの磁区を書き込んだ様子を示す。コントローラ１２は、第１電流ｉ１または第２電流ｉ２を流すことにより、既に磁性細線２２に書き込まれていた複数の磁区を一端２８側に移動させ、かつ、電流に対応する磁区を磁性細線２２の他端２７に書き込む。書き込まれる磁区の磁化方向は、電流が流れる第１固定部５１または第２固定部５２に対応する。

【0049】

なお、第１固定部５１と第２固定部５２のどちらか一方に電流を流す操作は、コントローラ１２により第１固定部５１と第２固定部５２への導通／非導通を制御することで可能である。あるいは、例えば、第１固定部５１とコントローラ１２との間、および第２固定部５２とコントローラ１２との間に、それぞれスイッチング素子を設けて、導通／非導通を切り替えてもよい。ここでスイッチング素子はコントローラ１２内に設けてもよい。

【0050】

このように、磁気メモリ装置１では、書き込み時の第１電流ｉ１および第２電流ｉ２は、細長い磁性細線２２が延びる方向（固定層２４および中間層２３が積層する方向（ｚ方向））に沿って磁性細線２２の中を流れる。それゆえ、複数の磁区は、細長い磁性細線２２が延びる方向に沿って配列するよう書き込まれる。

【0051】

なお、シミュレーションは下記の条件で行った。シミュレーションのモデルは、スピン偏極電流によるスピントランスファートルクＳＴＴの項を取り入れたランダウ・リフシッツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）に基づいた、マイクロマグネティクスシミュレーションである。磁性細線２２は円柱形状であり、円柱の直径は２０ｎｍ、長さは１００ｎｍである。第１固定部５１および第２固定部５２は半円形状であり、ｚ方向の厚さが３ｎｍである。磁性細線２２の飽和磁化を２００ｋＡ／ｍとした。交換スティフネス定数を１．０ｐＪ／ｍとした。第１固定部５１および第２固定部５２のｚ方向の磁気異方性を２．５ＭＪ／ｍ^３とした。磁性細線２２は、ｚ方向に沿って、磁気異方性が０ＭＪ／ｍ^３の領域と、０．２ＭＪ／ｍ^３の領域とが交互に、ｚ方向に３ｎｍの厚さごとに並ぶ構成とした。磁性細線２２の他端２７は、磁気異方性が０ＭＪ／ｍ^３の領域である。磁気異方性が大きいほど、ｚ方向に磁化が向きやすい。そのため、磁気異方性が大きい領域では書き込まれた磁区が安定しやすく、磁気異方性が小さい領域では磁壁２９が安定しやすい。なお、磁性細線２２の中の磁気異方性は均一でもよい。スピン偏極率Ｐ＝０．５とした。磁性細線２２の他端２７における電流密度を７．０×１０^１１Ａ／ｍ^２とし、一端２８における電流密度を３．２×１０^１１Ａ／ｍ^２とした。符号４０５は、第２電流ｉ２を流し始めてから０．７ｎｓ後の状態を示す。符号４１５は、第１電流ｉ１を流し始めてから０．７ｎｓ後の状態を示す。符号４２５は、さらに０．７ｎｓ後の状態を示す。

【0052】

なお、全体の磁気異方性が０．２ＭＪ／ｍ^３である磁性細線２２を用いた場合のシミュレーションにおいても、図５に示すシミュレーション結果と同様の間隔で複数の磁区を書き込めた。図５に示すシミュレーション結果においては、４ビットの情報が記憶されたが、磁性細線２２として、より長い細線を用いることで、他の部分の構造および機構を変更する事無く、より多くのビット情報（例えば５１２ビット以上でさえも）を１つの磁性細線に書き込むことが可能である。

【0053】

図６は、書き込み時の電流の他の例を模式的に示す断面図である。黒矢印は、電流を示す。各位置の小さな矢印は、図４と同様に該位置の磁化方向を示す。書き込み時において、コントローラ１２は、第１電流ｉ１と第２電流ｉ２との両方を流すことによって、磁性細線２２に１つの磁区を書き込んでもよい。ただし、第２固定部５２と同じ磁化方向の磁区を書き込むときは、ｉ３＞ｉ２＞ｉ１＞０であり、ｉ３＝ｉ１＋ｉ２である。正の第１電流ｉ１は、磁性細線２２の一端（固定層２４側）から第１固定部５１に流れる。正の第２電流ｉ２は、磁性細線２２の一端（固定層２４側）から第２固定部５２に流れる。ｉ２＞ｉ１＞０である場合、第２電流ｉ２の影響が第１電流ｉ１の影響よりも大きい。第２電流ｉ２によって磁性細線２２に下向きの磁区が書き込まれると同時に、小さい第１電流ｉ１が加わることにより、ｉ３＝ｉ１＋ｉ２であるので既に書き込まれていた磁区および磁壁の移動が、第２電流ｉ２が同じ値でｉ１＝０における場合と比較して、速くなる。そのため、新たに書き込まれる磁区のｚ方向の長さ（磁壁同士の間隔）を長くすることができる。同様に、第１固定部５１と同じ磁化方向の磁区を書き込むときは、ｉ３＞ｉ１＞ｉ２＞０であり、ｉ３＝ｉ１＋ｉ２である。

【0054】

図７は、書き込み時の電流の他の例を模式的に示す断面図である。矢印等の意味は図６と同じである。書き込み時において、コントローラ１２は、正の第１電流ｉ１と負の第２電流ｉ２との両方、または、負の第１電流ｉ１と正の第２電流ｉ２との両方を流すことによって、磁性細線２２に１つの磁区を書き込んでもよい。

【0055】

負の第１電流ｉ１と正の第２電流ｉ２との両方が流れる場合、すなわち、第２固定部５２と同じ磁化方向の磁区を書き込むときは、ｉ２＞ｉ３＞０＞ｉ１であり、ｉ３＝ｉ１＋ｉ２である。負の第１電流ｉ１とは、コントローラ１２から第１固定部５１に流れ込む電流を意味する。負の第１電流ｉ１は、第１固定部５１から磁性細線２２の他端２７を通って、第２固定部５２に流れる。正の第２電流ｉ２は、磁性細線２２の一端２８（固定層２４側）から第２固定部５２に流れる。ここで、第２固定部５２から磁性細線２２の他端２７に流入した電子の一部は、磁性細線２２の他端２７付近で第１固定部５１側に流れ、第１固定部５１へ流出する。この電子の流れは、第２固定部５２の境界付近の磁壁２９を第１固定部５１側へ広げるように働く。それゆえ、より早く、磁壁２９が第１固定部５１と磁性細線２２との境界に形成され、新たな下向きの磁区が磁性細線２２に書き込まれる。よって、新たに書き込まれる磁区のｚ方向の長さ（磁壁同士の間隔）を短くすることができる。つまり、１つの多値磁気メモリ素子あたりの磁性細線２２の長さあたりの記憶容量（記憶密度）が増える。

【0056】

同様に、正の第１電流ｉ１と負の第２電流ｉ２との両方が流れる場合、すなわち、第１固定部５１と同じ磁化方向の磁区を書き込むときは、ｉ１＞ｉ３＞０＞ｉ２であり、ｉ３＝ｉ１＋ｉ２である。負の第２電流ｉ２とは、コントローラ１２から第２固定部５２に流れ込む電流を意味する。負の第２電流ｉ２は、第２固定部５２から磁性細線２２の他端２７を通って、第１固定部５１に流れる。正の第１電流ｉ１は、磁性細線２２の一端２８（固定層２４側）から第１固定部５１に流れる。ここで、第１固定部５１から磁性細線２２の他端２７に流入した電子の一部は、磁性細線２２の他端２７付近で第２固定部５２側に流れ、第２固定部５２へ流出する。この電子の流れは、第１固定部５１の境界付近の磁壁２９を第２固定部５２側へ広げるように働く。それゆえ、より早く、磁壁２９が第２固定部５２と磁性細線２２との境界に形成され、新たな上向きの磁区が磁性細線２２に書き込まれる。よって、新たに書き込まれる磁区のｚ方向の長さ（磁壁同士の間隔）を短くすることができる。

【0057】

このように、コントローラ１２は、第１電流ｉ１および第２電流ｉ２の向きおよび大きさを調整することにより、書き込まれる磁区の幅を調整することができる。

【0058】

（読み出し動作）
図８は、読み出し時の磁気メモリ装置１の動作を示す図である。多値磁気メモリ素子１１に書き込まれている複数のビットを読み出すために、各ビットに対応する磁区を磁性細線２２の一端２８に移動させる必要がある。そのため、読み出された磁区は他の磁区に押しやられ消えてしまう。このように、複数のビットを書き込める多値磁気メモリ素子１１では、基本的には読み出しは破壊読み出しである。本実施形態の磁気メモリ装置１では、破壊読み出しによって書き込まれていたビットの情報が失われないよう、多値磁気メモリ素子１１から読み出したビットに対応する磁区を該多値磁気メモリ素子１１新たに書き込む動作を行う。

【0059】

符号８０１に示す状態において、磁性細線２２には１～４の番号で示すように、上、下、下、上の４つのビットが書き込まれている。コントローラ１２は、読み出し時において、中間層２３に第３電流を流すことによって、磁性細線２２の一端２８の磁区が有する磁化方向に対応するビットを読み出す。符号８０１に示す図では、第３電流として第１電流ｉ１を描いているがこれに限らず、第３電流として流す電流は、第１電流ｉ１でも第２電流ｉ２でもよい。第３電流は、一端２８側の磁区が移動して消えない程度の大きさおよび時間で流されればよい。なお、第３電流は、中間層２３と磁性細線２２の一端２８と、固定層２４とで構成する磁気トンネル接合（ＴＭＲ素子）を流れればよく、磁性細線２２から固定層２４に向かって流れる電流であってもよい。

【0060】

コントローラ１２は、読み出された１番のビット（上）に対応する磁化方向を有する磁区を、磁性細線２２に新たに書き込む。具体的には、コントローラ１２は、磁性細線２２の一端２８から第１固定部５１に流れる第１電流ｉ１を、多値磁気メモリ素子１１に流すことにより、多値磁気メモリ素子１１に上向きの磁化方向を有する磁区を新たに書き込む（符号８０２）。これにより、磁性細線２２の中の複数の磁区を一端２８側に移動させる。結果的に、一端２８に書き込まれていた磁区（１番）は消え、他端２７に新たに磁区（１番）が書き込まれ、他の磁区（２番～４番）は、一端２８側に移動する（符号８０３）。

【0061】

なお、読み出しと書き込みを別々のタイミングで行なう場合、読み出し時の第３電流ｉ３は、書き込み時の第３電流ｉ３より小さくてもよい。一端２８の磁区を読み出しながら、読み出された向きの磁区を磁性細線２２に新たに同時に書き込んでもよい。この場合、電流の大きさと向きには書き込み時の電流の値と向きを用いる。

【0062】

コントローラ１２は、再度中間層２３に第３電流を流すことによって、磁性細線２２の一端２８の磁区が有する磁化方向に対応するビット（２番）を読み出す（符号８０３）。

【0063】

読み出されたビット（２番）は、下向きの磁化方向を有する磁区に対応する。そのため、コントローラ１２は、磁性細線２２の一端２８から第２固定部５２に流れる第２電流ｉ２を、多値磁気メモリ素子１１に流す（符号８０４）。これにより、多値磁気メモリ素子１１に下向きの磁化方向を有する磁区を新たに書き込む（符号８０５）。

【0064】

同様に、コントローラ１２は、多値磁気メモリ素子１１に書き込まれていた全ての磁区に対応する全てのビットの読み出しおよび書き込みを順次行う。最終的に、読み出された複数の磁区は、元通りに多値磁気メモリ素子１１に書き込まれた状態になる（符号８０６）。このように、磁気メモリ装置１は、破壊読み出しによって書き込まれていたビットの情報が失われないように、複数のビットの情報を読み出すことができる。

【0065】

磁気メモリ装置１における磁区の書き込みと磁区および磁壁の移動とは、複数の磁区が形成されている磁性細線２２を電流が流れることにより生じるＳＳＴ（スピントランスファートルク）によってなされる。すなわち、磁気メモリ装置１では、磁区の書き込みと磁区および磁壁の移動との両方が、ＳＳＴによって行われる。そのため、ＳＯＴ（スピン軌道トルク）を用いて磁区の書き込みを行い、ＳＳＴを用いて磁区の移動を行う構成に比べて、磁気メモリ装置１では電流制御および磁区の書き込みが容易である。

【0066】

磁気メモリ装置１では、磁区を書き込みかつ磁壁を移動させる第１電流および第２電流が、磁性細線２２の中において固定層２４および中間層２３に対して垂直に流れる（固定層２４および中間層２３が積層する方向（ｚ方向）に平行に流れる）。それゆえ、磁壁は、細長い磁性細線２２が延びる方向（固定層２４および中間層２３が積層する方向）に移動する。そのため、磁気メモリ装置１は、細長い磁性細線２２に複数の磁区を効率的に書き込むことができる。また、磁気メモリ装置１は、複数の磁区の磁化方向を順次読み取ることができる。

【0067】

（アクティブマトリクス型磁気メモリ装置）
図９は、一実施形態の磁気メモリ装置２の概略構成の一部を示す斜視図である。図９において、黒矢印は固定された磁化方向を、白矢印は書き換え可能な磁化方向を示す。磁気メモリ装置２は、マトリクス状に配列した複数の多値磁気メモリ素子１１（ｊ、ｋ）と、複数の上流配線Ｕ（ｊ）（列配線）と、複数の下流配線Ｄａ（ｋ）、Ｄｂ（ｋ）（行配線）とを備える。ここで、ｊ列、ｋ行を（ｊ、ｋ）として表す。多値磁気メモリ素子１１は、磁性細線２２、中間層２３、固定層２４、第１固定部５１、および第２固定部５２を備える。ただし、行方向（ｘ方向）に互いに隣接する２つの多値磁気メモリ素子１１において、２つの磁性細線２２は、共通の第１固定部５１または第２固定部５２に接続されている。例えば、行方向（ｘ方向）に互いに隣接する多値磁気メモリ素子１１（ｊ、ｋ）の磁性細線２２と、多値磁気メモリ素子１１（ｊ＋１、ｋ）の磁性細線２２とは、共通の第２固定部５２（ｊ＋１、ｋ）に接続されている。多値磁気メモリ素子１１（ｊ＋１、ｋ）の磁性細線２２と、多値磁気メモリ素子１１（ｊ＋２、ｋ）の磁性細線２２とは、共通の第１固定部５１（ｊ＋２、ｋ）に接続されている。互いに隣接する２つの多値磁気メモリ素子１１は、第１固定部５１または第２固定部５２を共有している。互いに隣接する多値磁気メモリ素子１１（ｊ＋１、ｋ）の磁性細線２２および多値磁気メモリ素子１１（ｊ＋２、ｋ）の磁性細線２２は、それぞれ異なる第２固定部５２（ｊ＋１、ｋ）および第２固定部５２（ｊ＋３、ｋ）に接続されている。このように、複数の多値磁気メモリ素子１１が、第１固定部５１または第２固定部５２を共有することで、複数の磁気メモリ装置２を効率的に配置することができる。

【0068】

下流配線Ｄａ（ｋ）は、ｋ行の複数の第１固定部５１に接続されている。下流配線Ｄｂ（ｋ）は、ｋ行の複数の第２固定部５２に接続されている。上流配線Ｕ（ｊ）は、ｊ列の複数の多値磁気メモリ素子１１の固定層２４に接続されている。下流配線Ｄａ（ｋ）、下流配線Ｄｂ（ｋ）、および上流配線Ｕ（ｊ）は、コントローラ１２に接続されている。コントローラ１２は、各配線に接続されたスイッチング素子（図示せず）を備え、各配線との導通／非導通を切り替える。

【0069】

例えば、ｊ列の複数の多値磁気メモリ素子１１に磁区を書き込むとき、コントローラ１２は以下のように動作する。コントローラ１２は、複数の上流配線Ｕのうち選択した１つの上流配線Ｕ（ｊ）を導通させ、他の上流配線Ｕを導通させない。コントローラ１２は、多値磁気メモリ素子１１（ｊ、ｋ）に書き込むビットに応じて、下流配線Ｄａ（ｋ）または下流配線Ｄｂ（ｋ）のうち一方を選択して導通させる。これにより、上流配線Ｕ（ｊ）から選択された下流配線Ｄａ（ｋ）または下流配線Ｄｂ（ｋ）に電流が流れる。選択された下流配線Ｄａ（ｋ）または下流配線Ｄｂ（ｋ）に接続された第１固定部５１（ｊ、ｋ）または第２固定部５２（ｊ＋１、ｋ）に対応した磁化方向の磁区が、多値磁気メモリ素子１１（ｊ、ｋ）に書き込まれる。同様に、コントローラ１２は、各行の多値磁気メモリ素子１１（ｊ、ｋ）に書き込むビットに応じて、下流配線Ｄａ（ｋ）または下流配線Ｄｂ（ｋ）のうち一方を選択して導通させる。このようにして、同時に、ｊ列の複数の多値磁気メモリ素子１１に任意の磁化方向の磁区を書き込むことができる。コントローラ１２は、同様の書き込み動作を、時分割で各列について行う。

【0070】

なお、中間層２３が導体層である場合、上流配線Ｕ（ｊ）は、ｊ列の複数の多値磁気メモリ素子１１の中間層２３に接続されてもよい。

【0071】

図１０は、一実施形態の磁気メモリ装置３の概略構成の一部を示す平面図である。図１０には、下流配線Ｄａ、Ｄｂと第１固定部５１と第２固定部５２と多値磁気メモリ素子１１（の磁性細線２２の外形）とを示す。図１０において多値磁気メモリ素子１１（の磁性細線２２の外形）を透過して示す。

【0072】

第１固定部５１および第２固定部５２は、矩形である。複数の第１固定部５１と複数の第２固定部５２とは、市松模様に配置されている。斜め方向に隣接する複数の第１固定部５１は、互いに電気的に接続され、下流配線Ｄａに接続されている。斜め方向に隣接する複数の第２固定部５２は、互いに電気的に接続され、下流配線Ｄｂに接続されている。４つの多値磁気メモリ素子１１（ａ）～１１（ｄ）の磁性細線２２は、共通の第２固定部５２に接続されている。４つの多値磁気メモリ素子１１（ａ）～１１（ｄ）の磁性細線２２は、それぞれ異なる第１固定部５１に接続されている。１つの第２固定部５２の矩形の４辺に対応する位置に、４つの多値磁気メモリ素子１１（ａ）～１１（ｄ）の磁性細線２２が配置されている。同様に、１つの第１固定部５１の矩形の４辺に対応する位置に、４つの多値磁気メモリ素子１１の磁性細線２２が配置されている。

【0073】

図１１は、一実施形態の磁気メモリ装置３の概略構成の一部を示す平面図である。図１１には、上流配線Ｕと第１固定部５１と第２固定部５２と多値磁気メモリ素子１１（の固定層２４）とを示す。

【0074】

磁気メモリ装置３は、複数の上流配線Ｕ（ｊ）と、複数の下流配線Ｄａ（ｋ）、Ｄｂ（ｋ）と、複数の多値磁気メモリ素子１１とを備える。上流配線Ｕは、複数の多値磁気メモリ素子１１の固定層２４と接続されている。共通の第２固定部５２に接続されている４つの多値磁気メモリ素子１１（ａ）～１１（ｄ）の固定層２４は、それぞれ異なる上流配線Ｕ（ｊ＋３）、Ｕ（ｊ＋５）、Ｕ（ｊ＋６）、Ｕ（ｊ＋４）に接続されている。例えば、上流配線Ｕ（ｊ＋３）は、斜め方向に並ぶ多値磁気メモリ素子１１（ａ）と、多値磁気メモリ素子１１（ｅ）とに接続されている。多値磁気メモリ素子１１（ａ）の磁性細線２２は、下流配線Ｄａ（ｋ）に接続された第１固定部５１と下流配線Ｄｂ（ｋ＋１）に接続された第２固定部５２とに接続されている。多値磁気メモリ素子１１（ｅ）の磁性細線２２は、下流配線Ｄａ（ｋ＋１）に接続された第１固定部５１と下流配線Ｄｂ（ｋ＋２）に接続された第２固定部５２とに接続されている。１つの上流配線Ｕに接続された複数の多値磁気メモリ素子１１は、互いに異なる下流配線Ｄａ、Ｄｂに接続されている。これにより、１つの上流配線Ｕと、下流配線Ｄａおよび下流配線Ｄｂのペアのいずれか一方を選択する（導通させる）ことにより、各多値磁気メモリ素子１１に任意の磁化方向の磁区を書き込むことができる。このように、１つの第１固定部５１または１つの第２固定部５２を３つ以上（ここでは４つ）の多値磁気メモリ素子１１で共有する配置としてもよい。このような配置により、よりコンパクトに多くの多値磁気メモリ素子１１を配置することができる。

【0075】

なお、第１固定部５１および第２固定部５２の形状はこれに限らず、円形でもよいし、８角形等の任意の多角形でもよい。また、上流配線Ｕが延びる方向も、図示の方向に限らない。１つの上流配線Ｕに接続された複数の多値磁気メモリ素子１１が、互いに異なる下流配線Ｄａおよび互いに異なる下流配線Ｄｂに接続されていればよい。

【0076】

図１２は、一実施形態の多値磁気メモリ素子１３の概略構成を示す斜視図である。磁気メモリ装置４は、多値磁気メモリ素子１３と、コントローラ１２とを含む。多値磁気メモリ素子１３は、磁性細線２２、中間層２３、固定層２４、第１固定部５１、第２固定部５２、結合層５３、および第３固定部５４を備える。結合層５３は、第２固定部５２と第３固定部５４とに挟まれている。固定層２４、第１固定部５１および第２固定部５２は、コントローラ１２に接続されている。

【0077】

結合層５３は、第２固定部５２と第３固定部５４とを反強磁性交換結合させる薄膜である。結合層５３は、重金属（例えば、ＲｈまたはＲｕ等）で構成される。結合層５３の厚さは、例えば１～５ｎｍである。

【0078】

第３固定部５４は、第２固定部５２よりも磁化方向が変化しにくい強磁性体である。第３固定部５４は、第２固定部５２よりも垂直磁気異方性が大きい強磁性体であってもよい。第３固定部５４は、第２固定部５２と同じ材質で、第２固定部５２よりも厚さが大きい構成であってもよい。

【0079】

多値磁気メモリ素子１３の製造において、第１固定部５１および第２固定部５２の磁化方向を互いに逆向きにする必要がある。例えば、多値磁気メモリ素子１３の各構成要素を積層して多値磁気メモリ素子１３を形作った時点では、第１固定部５１および第２固定部５２の磁化方向は所定の向きを向いていなくてもよい。形作られた多値磁気メモリ素子１３に対し、まず所定の強さの第１方向（ｚ方向）の外部磁場を印加する。これにより、固定層２４、磁性細線２２、第１固定部５１、第２固定部５２、および第３固定部５４の磁化方向が第１方向を向く。その後、印加する外部磁場を０にする。固定層２４、第１固定部５１、および第３固定部５４の磁化方向は、第１方向を向いたまま固定される。第２固定部５２および第３固定部５４は、結合層５３を挟んでｚ方向に対向していることにより、反強磁性交換結合により互いに逆向きに磁化方向が固定される。第３固定部５４は、第２固定部５２よりも磁化方向が変化しにくいため、第２固定部５２の磁化方向が反転される。それゆえ、第２固定部５２の磁化方向は、第２方向（－ｚ方向）を向いて固定される。これにより、互いに逆向きの磁化方向を有する第１固定部５１および第２固定部５２を構成することができる。

【0080】

磁気メモリ装置４が、複数の多値磁気メモリ素子１３を備える場合であっても、所定の強さの一様な外部磁場を印加することで、複数の第１固定部５１および複数の第２固定部５２の磁化方向を互いに逆向きにすることができる。

【0081】

なお、第２固定部５２は、結合層５３および／または第３固定部５４を介してコントローラ１２に接続されていてもよい。

【0082】

（変形例）
上述の多値磁気メモリ素子１１、１３において、第１固定部５１および第２固定部５２は、磁性細線２２の他端２７の端面ではなく他端２７の側面に接続されていてもよい。この構成でも、第１固定部５１または第２固定部５２から、磁性細線２２の他端２７に第１方向または第２方向の磁化方向を有する磁区を書き込むことができる。

【0083】

〔ソフトウェアによる実現例〕
コントローラ１２（以下、装置）の機能の一部または全部は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロック（第１電流制御部３１、第２電流制御部３２、書込指示部３４、読出指示部３５、および測定部３６）としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。

【0084】

この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも１つの制御装置（例えばプロセッサ）と少なくとも１つの記憶装置（例えばメモリ）を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。

【0085】

上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、１または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。

【0086】

また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。

【0087】

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。

【符号の説明】

【0088】

１、２、３、４ 磁気メモリ装置
１１ メモリ素子
１１、１３ 多値磁気メモリ素子
１２ コントローラ
２２ 磁性細線
２３ 中間層
２４ 固定層
２７ 他端
２８ 一端
２９ 磁壁
３１ 第１電流制御部
３２ 第２電流制御部
３４ 書込指示部
３５ 読出指示部
３６ 測定部
５１ 第１固定部
５２ 第２固定部
５３ 結合層
５４ 第３固定部
Ｄａ、Ｄｂ 下流配線
Ｕ 上流配線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】