特許 7196701 磁壁移動素子、磁気記録アレイ及び半導体装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-12-19

(45)【発行日】2022-12-27

(54)【発明の名称】磁壁移動素子、磁気記録アレイ及び半導体装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20221220BHJP

   H01L 43/08 20060101ALI20221220BHJP

   H01L 21/8239 20060101ALI20221220BHJP

   H01L 27/105 20060101ALI20221220BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

H01L43/08 Z

H01L27/105 447

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019045771

(22)【出願日】2019-03-13

(65)【公開番号】P2020150113

(43)【公開日】2020-09-17

【審査請求日】2022-01-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003067

【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106909

【弁理士】

【氏名又は名称】棚井 澄雄

(74)【代理人】

【識別番号】100163496

【弁理士】

【氏名又は名称】荒 則彦

(74)【代理人】

【識別番号】100188558

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 雅人

(74)【代理人】

【識別番号】100169694

【弁理士】

【氏名又は名称】荻野 彰広

(72)【発明者】

【氏名】大田 実

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 智生

【審査官】加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１４７９６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／０６８５０９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２００９／１０１８２７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

Ｈ０１Ｌ ２１／８２３９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１強磁性層と、
前記第１強磁性層に対して第１方向に位置し、前記第１方向と異なる第２方向に延び、磁気記録可能な第２強磁性層と、
前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、
前記第２強磁性層に接する第１構造体と、を備え、
前記第１構造体は、第１部分と、前記第１部分と異なる材料を含む第２部分とを有し、
前記第１部分は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含み、
前記第１部分の前記第２方向の側面は、前記第１方向に対して前記第２方向に傾斜している、磁壁移動素子。

【請求項2】

前記第１構造体は、前記第２方向と交差する第３方向に延びる第１領域と第２領域と有し、
前記第１領域と前記第２領域とは前記第２方向に交互に配列し、
前記第１方向から見て、前記第１領域を占める第１部分の面積率と、前記第２領域を占める第１部分の面積率と、が異なる、請求項１に記載の磁壁移動素子。

【請求項3】

前記第１領域と前記第２領域とは、前記第２方向に周期的に配列している、請求項２に記載の磁壁移動素子。

【請求項4】

前記第１部分は、前記第１方向から見て、前記第２方向と交差する第３方向に延び、
前記第１部分は、前記第２方向に周期的に配列している、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項5】

前記第１構造体は、前記第２強磁性層の前記非磁性層と反対側の面に接する、請求項１～４のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項6】

前記第１構造体は、前記第２強磁性層の前記第２方向と交差する第３方向の側面に接する、請求項１～３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項7】

前記第１構造体の前記第１方向の厚みは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である、請求項１～５のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項8】

前記第１構造体の前記第２強磁性層と反対側に接する第１導電部をさらに有し、
前記第１導電部は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項9】

前記第１部分は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属である、請求項１～８のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項10】

前記第２部分は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含み、
前記第１部分と前記第２部分とは、スピンホール角の極性が異なる、請求項１～９のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項11】

前記第１部分の前記第２強磁性層と接する第１面は、前記第２部分の前記第２強磁性層と接する第２面に沿って広がる平面に対して突出している、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項12】

前記第１部分の前記第２強磁性層と接する第１面は、前記第２部分の前記第２強磁性層と接する第２面に沿って広がる平面に対して窪んでいる、請求項１～１０のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項13】

前記非磁性層と前記第２強磁性層との間に、第３強磁性層をさらに有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の磁壁移動素子。

【請求項14】

請求項１～１３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子を複数有する、磁気記録アレイ。

【請求項15】

請求項１～１３のいずれか一項に記載の磁壁移動素子と、
前記磁壁移動素子と電気的に接続された複数のスイッチング素子と、を備える半導体装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁壁移動素子、磁気記録アレイ及び半導体装置に関する。

【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に注目が集まっている。例えば、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）等が次世代の不揮発性メモリとして知られている。

【0003】

ＭＲＡＭは、磁化の向きの変化によって生じる抵抗値変化をデータ記録に利用している。記録メモリの大容量化を実現するために、メモリを構成する素子の小型化、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットの多値化が検討されている。

【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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５４４１００５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１に記載の磁壁移動素子は、磁気記録層の側面に凹凸が設けられている。この凹凸は磁壁のトラップサイトとして機能し、磁壁の位置を制御する。しかしながら、磁気記録層を加工すると、磁気記録層にダメージが加わり、磁壁移動素子の磁気抵抗変化率（ＭＲ比）が低下する場合がある。また磁気記録層の側面に凹凸を設けただけでは、磁壁を十分に制御できない場合があった。

【0007】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁壁の移動を精確に制御し、データの書き込み及び読み出しの信頼性が向上した磁壁移動素子及び磁気メモリを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

（１）第１の態様にかかる磁壁移動素子は、第１強磁性層と、前記第１強磁性層に対して第１方向に位置し、前記第１方向と異なる第２方向に延び、磁気記録可能な第２強磁性層層と、前記第１強磁性層と前記第２強磁性層との間に位置する非磁性層と、前記第２強磁性層に接する第１構造体と、を備え、前記第１構造体は、第１部分と、前記第１部分と異なる材料からなる第２部分とを有し、前記第１部分は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。

【0009】

（２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１構造体は、前記第２方向と交差する第３方向に延びる第１領域と第２領域と有し、前記第１領域と前記第２領域とは前記第２方向に交互に配列し、前記第１方向から見て、前記第１領域を占める第１部分の面積率と、前記第２領域を占める第１部分の面積率と、が異なってもよい。

【0010】

（３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１領域と前記第２領域とは、前記第２方向に周期的に配列していてもよい。

【0011】

（４）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記第１部分は、前記第１方向から見て、前記第２方向と交差する第３方向に延び、前記第１部分は、前記第２方向に周期的に配列していてもよい。

【0012】

（５）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記第１構造体は、前記第２強磁性層の前記非磁性層と反対側の面に接してもよい。

【0013】

（６）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記第１構造体は、前記第２強磁性層の前記第２方向と交差する第３方向の側面に接してもよい。

【0014】

（７）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１構造体の前記第１方向の厚みは、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であってもよい。

【0015】

（８）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１構造体の前記磁気記録層と反対側に接する第１導電部をさらに有し、前記第１導電部は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含んでもよい。

【0016】

（９）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１部分は、最外殻にｄ電子又はｆ電子を有する原子番号３９以上の原子番号を有する非磁性金属であってもよい。

【0017】

（１０）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第２部分は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含み、前記第１部分と前記第２部分とは、スピンホール角の極性が異なってもよい。

【0018】

（１１）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１部分の前記磁気記録層と接する第１面は、前記第２部分の前記磁気記録層と接する第２面に沿って広がる平面に対して突出していてもよい。

【0019】

（１２）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１部分の前記磁気記録層と接する第１面は、前記第２部分の前記磁気記録層と接する第２面に沿って広がる平面に対して窪んでいてもよい。

【0020】

（１３）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記第１部分の前記第２方向の側面は、前記第１方向に対して前記第２方向に傾斜していてもよい。

【0021】

（１４）上記態様にかかる磁壁移動素子において、前記非磁性層と前記第２強磁性層との間に、第３強磁性層をさらに有してもよい。

【0022】

（１５）第２の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁壁移動素子を複数有してもよい。

【0023】

（１６）第３の態様にかかる半導体装置は、上記態様にかかる磁壁移動素子と、前記磁壁移動素子に電気的に接続された複数のスイッチング素子と、を備える。

【発明の効果】

【0024】

上記態様にかかる磁壁移動素子、磁気記録アレイ及び半導体装置によれば、磁壁の移動を精確に制御し、データの書き込み及び読み出しの信頼性が向上した。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】第１実施形態に係る磁気記録アレイの構成図である。

【図2】第１実施形態に係る磁気記録アレイの要部の断面図である。

【図3】第１実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図4】第１実施形態に係る磁壁移動素子の平面図である。

【図5】第１実施形態に係る磁気記録アレイの要部の別の例の断面図である。

【図6】第１実施形態に係る磁壁移動素子の動作を説明するための断面図である。

【図7】第２実施形態に係る磁壁移動素子の第１構造体の平面図である。

【図8】第１変形例に係る磁壁移動素子の第１構造体の平面図である。

【図9】第２変形例に係る磁壁移動素子の第１構造体の平面図である。

【図10】第３実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図11】第４実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図12】第５実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図13】第３変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図14】第４変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図15】第５変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図16】第６実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図17】第７実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図18】第８実施形態に係る磁壁移動素子の平面図である。

【図19】第８実施形態に係る磁壁移動素子の側面図である。

【図20】第９実施形態に係る磁気記録アレイの要部の断面図である。

【図21】第９実施形態に係る磁壁移動素子の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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。

【0027】

まず方向について定義する。＋ｘ方向、－ｘ方向、＋ｙ方向及び－ｙ方向は、後述する基板Ｓｕｂ（図２参照）の一面と略平行な方向である。＋ｘ方向は、後述する磁気記録層２０が延びる方向であり、後述する第２電極６０から第１電極５０へ向かう方向である。－ｘ方向は、＋ｘ方向と反対の方向である。＋ｘ方向と－ｘ方向を区別しない場合は、単に「ｘ方向」と称する。ｘ方向は、第２方向の一例である。＋ｙ方向は、ｘ方向と直交する一方向である。－ｙ方向は、＋ｙ方向と反対の方向である。＋ｙ方向と－ｙ方向を区別しない場合は、単に「ｙ方向」と称する。ｙ方向は、第３方向の一例である。＋ｚ方向は、後述する基板Ｓｕｂから磁壁移動素子１００へ向かう方向である。－ｚ方向は、＋ｚ方向と反対の方向である。＋ｚ方向と－ｚ方向を区別しない場合は、単に「ｚ方向」と称する。ｚ方向は、第１方向の一例である。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。

【0028】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気記録アレイの構成図である。磁気記録アレイ２００は、複数の磁壁移動素子１００と、複数の第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと、複数の第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎと、複数の第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎと、複数の第１スイッチング素子１１０と、複数の第２スイッチング素子１２０と、複数の第３スイッチング素子１３０とを備える。磁気記録アレイ２００は、例えば、磁気メモリ、積和演算器、ニューロモーフィックデバイスに利用できる。

【0029】

＜第１配線、第２配線、第３配線＞
第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、共通配線である。共通配線は、データの書き込み時及び読み出し時の両方で用いられる配線である。第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、基準電位と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。基準電位は、例えば、グラウンドである。第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎは、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに設けられてもよいし、複数の磁壁移動素子１００に亘って設けられてもよい。

【0030】

第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、書き込み配線である。第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎは、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、読み出し配線である。第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎは、電源と１つ以上の磁壁移動素子１００とを電気的に接続する。電源は、使用時に磁気記録アレイ２００の一端に接続される。

【0031】

＜第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第３スイッチング素子＞
図１に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０は、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに接続されている。磁壁移動素子１００にスイッチング素子が接続されたものを半導体装置と称する。第１スイッチング素子１１０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎとの間に接続されている。第２スイッチング素子１２０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に接続されている。第３スイッチング素子１３０は、磁壁移動素子１００のそれぞれと第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に接続されている。

【0032】

第１スイッチング素子１１０及び第２スイッチング素子１２０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎとの間に書き込み電流が流れる。第１スイッチング素子１１０及び第３スイッチング素子１３０をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎと第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎとの間に読み出し電流が流れる。

【0033】

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、電流の流れを制御する素子である。第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、例えば、トランジスタ、オボニック閾値スイッチ（ＯＴＳ：Ovonic Threshold Switch）のように結晶層の相変化を利用した素子、金属絶縁体転移（ＭＩＴ）スイッチのようにバンド構造の変化を利用した素子、ツェナーダイオード及びアバランシェダイオードのように降伏電圧を利用した素子、原子位置の変化に伴い伝導性が変化する素子である。

【0034】

第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０、第３スイッチング素子１３０のいずれかは、同じ配線に接続された磁壁移動素子１００で、共用してもよい。例えば、第１スイッチング素子１１０を共有する場合は、第１配線Ｃｍ１～Ｃｍｎの上流に一つの第１スイッチング素子１１０を設ける。例えば、第２スイッチング素子１２０を共有する場合は、第２配線Ｗｐ１～Ｗｐｎの上流に一つの第２スイッチング素子１２０を設ける。例えば、第３スイッチング素子１３０を共有する場合は、第３配線Ｒｐ１～Ｒｐｎの上流に一つの第３スイッチング素子１３０を設ける。

【0035】

図２は、第１実施形態に係る磁気記録アレイ２００の要部の断面図である。図２は、図１における一つの磁壁移動素子１００を磁気記録層２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。図２は、便宜上、一つの磁壁移動素子１００にフォーカスし、磁壁移動素子１００に接続された３つのトランジスタＴｒを図示している。図２に示す磁壁移動素子１００は、後述する磁気記録層２０が第１強磁性層１０より基板Ｓｕｂの近くに位置するトップピン構造である。

【0036】

図２に示す第１スイッチング素子１１０、第２スイッチング素子１２０及び第３スイッチング素子１３０は、トランジスタＴｒである。トランジスタＴｒは、ゲート電極Ｇと、ゲート絶縁膜ＧＩと、基板Ｓｕｂに形成されたソース領域Ｓ及びドレイン領域Ｄと、を有する。基板Ｓｕｂは、例えば、半導体基板である。

【0037】

トランジスタＴｒのそれぞれと磁壁移動素子１００とは、導電部９０，９１、電極９２を介して、電気的に接続されている。導電部９０，９１及び電極９２は、導電性を有する材料を含む。導電部９０は、ｚ方向に延びる。導電部９０は、絶縁層８０の開口部に形成されたビア配線である。導電部９１は、導電部９０と電極９２とを繋ぐ配線である。電極９２は、磁壁移動素子１００に読み出し電流を流すための電極である。

【0038】

磁壁移動素子１００とトランジスタＴｒとは、導電部９０，９１及び電極９２を除いて、絶縁層８０によって電気的に分離されている。絶縁層８０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。絶縁層８０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）、窒化シリコン（ＳｉＮ_ｘ）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化クロム、炭窒化シリコン（ＳｉＣＮ）、酸窒化シリコン（ＳｉＯＮ）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_ｘ）等である。

【0039】

「磁壁移動素子」
図３は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の断面図である。図４は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の平面図である。磁壁移動素子１００は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０と第１構造体４０と第１電極５０と第２電極６０とを有する。図３は、磁壁移動素子１００を磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面（図４におけるＡ－Ａ面）で切断した断面図である。磁壁移動素子１００の一例は、記憶素子である。

【0040】

「第１強磁性層」
第１強磁性層１０は、非磁性層３０に面する。第１強磁性層１０は、一方向に配向した磁化Ｍ_１０を有する。第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０は、所定の外力が印加された際に磁気記録層２０の磁化よりも配向方向が変化しにくい。所定の外力は、例えば外部磁場により磁化に印加される外力や、スピン偏極電流により磁化に印加される外力である。第１強磁性層１０は、磁化固定層、磁化参照層と呼ばれることがある。磁化Ｍ_１０は、例えば、ｚ方向に配向する。

【0041】

以下、磁化がｚ軸方向に配向した例を用いて説明するが、磁気記録層２０及び第１強磁性層１０の磁化はｘ軸方向に配向してもよいし、ｘｙ面内のいずれかの方向に配向していてもよい。磁化がｚ方向に配向する場合は、磁化がｘｙ面内に配向する場合より磁壁移動素子１００の消費電力、動作時の発熱が抑制される。また磁化がｚ方向に配向する場合は、磁化がｘｙ面内に配向する場合より同じ強度のパルス電流を印加した際における磁壁２７の移動幅が小さくなる。一方で、磁化がｘｙ面内のいずれかに配向する場合は、磁化がｚ方向に配向する場合より磁壁移動素子１００の磁気抵抗変化幅（ＭＲ比）が大きくなる。

【0042】

第１強磁性層１０は、強磁性体を含む。第１強磁性層１０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。第１強磁性層１０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅである。

【0043】

第１強磁性層１０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、ＸＹＺ又はＸ_２ＹＺ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、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１－ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１－ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１－ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

【0044】

第１強磁性層１０の膜厚は、第１強磁性層１０の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、１．５ｎｍ以下とすることが好ましく、１．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。第１強磁性層１０の膜厚を薄くすると、第１強磁性層１０と他の層（非磁性層３０）との界面で、第１強磁性層１０に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）が付加され、第１強磁性層１０の磁化がｚ方向に配向しやすくなる。

【0045】

第１強磁性層１０の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、第１強磁性層１０をＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉからなる群から選択された強磁性体とＰｔ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈからなる群から選択された非磁性体との積層体とすることが好ましく、Ｉｒ、Ｒｕからなる群から選択された中間層を積層体のいずれかの位置に挿入することがより好ましい。強磁性体と非磁性体を積層すると垂直磁気異方性を付加することができ、中間層を挿入することによって第１強磁性層１０の磁化がｚ方向に配向しやすくなる。

【0046】

第１強磁性層１０の非磁性層３０と反対側の面に、スペーサ層を介して、反強磁性層を設けてもよい。第１強磁性層１０、スペーサ層、反強磁性層は、シンセティック反強磁性構造（ＳＡＦ構造）となる。シンセティック反強磁性構造は、非磁性層を挟む二つの磁性層からなる。第１強磁性層１０と反強磁性層とが反強磁性カップリングするとことで、反強磁性層を有さない場合より第１強磁性層１０の保磁力が大きくなる。反強磁性層は、例えば、ＩｒＭｎ，ＰｔＭｎ等である。スペーサ層は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈからなる群から選択される少なくとも一つを含む。

【0047】

「磁気記録層」
磁気記録層２０は、ｘ方向に延びる。磁気記録層２０は、第２強磁性層の一例である。磁気記録層２０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、ｘ方向が長軸、ｙ方向が短軸の矩形である。磁気記録層２０は、非磁性層３０を挟んで、第１強磁性層１０と対向する磁性層である。磁気記録層２０は、第１電極５０と第２電極６０とに亘って、形成される。

【0048】

磁気記録層２０は、内部の磁気的な状態の変化により情報を磁気記録可能な層である。磁気記録層２０は、内部に第１磁区２８と第２磁区２９とを有する。第１磁区２８の磁化Ｍ_２８と第２磁区２９の磁化Ｍ_２９とは、例えば、反対方向に配向する。第１磁区２８と第２磁区２９との境界が磁壁２７である。磁気記録層２０は、磁壁２７を内部に有することができる。図２に示す磁気記録層２０は、第１磁区２８の磁化Ｍ_２８が＋ｚ方向に配向し、第２磁区２９の磁化Ｍ_２９が－ｚ方向に配向している。

【0049】

磁壁移動素子１００は、磁気記録層２０の磁壁２７の位置によって、データを多値又は連続的に記録できる。磁気記録層２０に記録されたデータは、読み出し電流を印加した際に、磁壁移動素子１００の抵抗値変化として読み出される。

【0050】

磁気記録層２０における第１磁区２８と第２磁区２９との比率は、磁壁２７が移動すると変化する。第１強磁性層１０の磁化Ｍ_１０は、例えば、第１磁区２８の磁化Ｍ_２８と同じ方向（平行）であり、第２磁区２９の磁化Ｍ_２９と反対方向（反平行）である。磁壁２７が＋ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分における第１磁区２８の面積が広くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁２７が－ｘ方向に移動し、ｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分における第２磁区２９の面積が広くなると、磁壁移動素子１００の抵抗値は高くなる。

【0051】

磁壁２７は、磁気記録層２０のｘ方向に書き込み電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、磁気記録層２０の＋ｘ方向に書き込み電流（例えば、電流パルス）を印加すると、電子は電流と逆の－ｘ方向に流れるため、磁壁２７は－ｘ方向に移動する。第１磁区２８から第２磁区２９に向って電流が流れる場合、第２磁区２９でスピン偏極した電子は、第１磁区２８の磁化Ｍ_２８を磁化反転させる。第１磁区２８の磁化Ｍ_２８が磁化反転することで、磁壁２７が－ｘ方向に移動する。

【0052】

磁気記録層２０は、磁性体により構成される。磁気記録層２０を構成する磁性体は、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が挙げられる。

【0053】

磁気記録層２０は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。磁気記録層２０に用いられる材料として、例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料が挙げられる。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流が小さくなる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁の移動速度が遅くなる。

【0054】

「非磁性層」
非磁性層３０は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０との間に位置する。非磁性層３０は、磁気記録層２０の一面に積層される。

【0055】

非磁性層３０は、例えば、非磁性の絶縁体、半導体又は金属からなる。非磁性の絶縁体は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４、およびこれらのＡｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部がＺｎ、Ｂｅ等に置換された材料である。これらの材料は、バンドギャップが大きく、絶縁性に優れる。非磁性層３０が非磁性の絶縁体からなる場合、非磁性層３０はトンネルバリア層である。非磁性の金属は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等である。非磁性の半導体は、例えば、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等である。

【0056】

非磁性層３０の厚みは、２０Å以上であることが好ましく、３０Å以上であることがより好ましい。非磁性層３０の厚みが厚いと、磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）が大きくなる。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、１×１０^５Ωμｍ^２以上であることが好ましく、１×１０^６Ωμｍ^２以上であることがより好ましい。磁壁移動素子１００の抵抗面積積（ＲＡ）は、一つの磁壁移動素子１００の素子抵抗と磁壁移動素子１００の素子断面積（非磁性層３０をｘｙ平面で切断した切断面の面積）の積で表される。

【0057】

「第１構造体」
第１構造体４０は、磁気記録層２０に接する。図３に示す第１構造体４０は、磁気記録層２０の非磁性層３０と反対側の面に接する。

【0058】

第１構造体４０のｘ方向の幅は、例えば、第１強磁性層１０及び非磁性層３０のｘ方向の幅より広い。第１構造体４０の＋ｘ方向の第１側面４０ｓ１は、例えば、非磁性層３０の＋ｘ方向の第１側面３０ｓ１より第１電極５０側に位置する。第１構造体４０の－ｘ方向の第２側面４０ｓ２は、例えば、非磁性層３０の－ｘ方向の第２側面３０ｓ２より第２電極６０側に位置する。第１側面３０ｓ１、４０ｓ１及び第２側面３０ｓ２、４０ｓ２がｚ方向に対してｘ方向に傾斜する場合は、非磁性層３０と磁気記録層２０との境界における非磁性層３０の±ｘ方向の端部と、第１構造体４０と磁気記録層２０との境界における第１構造体４０の±ｘ方向の端部と、の位置関係で比較する。

【0059】

第１構造体４０のｙ方向の幅は、例えば、第１強磁性層１０、磁気記録層２０及び非磁性層３０のｙ方向の幅より広い（図４参照）。第１構造体４０の＋ｙ方向の第３側面４０ｓ３は、例えば、非磁性層３０の＋ｙ方向の第３側面３０ｓ３及び磁気記録層２０の＋ｙ方向の第３側面２０ｓ３より＋ｙ方向に位置する。第１構造体４０の－ｙ方向の第４側面４０ｓ４は、例えば、非磁性層３０の－ｙ方向の第４側面３０ｓ４及び磁気記録層２０の－ｙ方向の第４側面２０ｓ４より－ｙ方向に位置する。第３側面２０ｓ３、３０ｓ３、４０ｓ３及び第４側面２０ｓ４、３０ｓ４、４０ｓ４がｚ方向に対してｙ方向に傾斜する場合は、第１構造体４０と磁気記録層２０との境界における磁気記録層２０又は第１構造体４０の±ｙ方向の端部と、非磁性層３０と磁気記録層２０との境界における非磁性層３０の±ｙ方向の端部と、の位置関係で比較する。

【0060】

また第１構造体４０の第３側面４０ｓ３は、例えば、第１電極５０及び第２電極６０の＋ｙ方向の第３側面５０ｓ３、６０ｓ３より＋ｙ方向に位置する。また第１構造体４０の第４側面４０ｓ４は、例えば、第１電極５０及び第２電極６０の－ｙ方向の第４側面５０ｓ４、６０ｓ４より－ｙ方向に位置する。

【0061】

第１構造体４０のｚ方向の厚みｈ１は、例えば、０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。第１構造体４０のｚ方向の厚みｈ１が０．５ｎｍ以上２０ｎｍ以下であれば、第１部分４１において後述するスピンホール効果が効率的に生じ、磁壁２７を移動させる臨界電流密度が増大することを防げる。

【0062】

第１構造体４０は、第１部分４１と第２部分４２とを有する。図３及び図４に示す第１部分４１及び第２部分４２はｙ方向に延び、ｘ方向に交互に配置されている。

【0063】

第１部分４１は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。スピンホール効果の詳細は、後述する。

【0064】

第１部分４１の主成分は、非磁性の重金属であることが好ましい。重金属は、イットリウム（Ｙ）以上の比重を有する金属を意味する。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。非磁性の重金属は、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。第１部分４１は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗである。

【0065】

第２部分４２は、第１部分４１と異なる材料からなる。第２部分４２は、導体でも、半導体でも、絶縁体でもよい。第２部分４２は、例えば、絶縁層８０と同じ材料からなる。

【0066】

「第１電極、第２電極」
第１電極５０及び第２電極６０は、磁気記録層２０と電気的に接続される。磁気記録層２０は、第１電極５０及び第２電極６０と直接接続されていてもよいし、間に層を介して接続されていてもよい。また図２に示すように第１電極５０及び第２電極６０は、第１構造体４０と異なる面に設けられてもよいし、図５に示すように第１電極５０及び第２電極６０は、第１構造体４０と同一面に設けられてもよい。また導電部９０が磁気記録層２０と直接接続される場合は、第１電極５０及び第２電極６０を有さなくてもよい。第１電極５０及び第２電極６０は、絶縁層８０の内部にある。第１電極５０は、磁気記録層２０と第１スイッチング素子１１０とを電気的に繋ぐ（図２参照）。第２電極６０は、磁気記録層２０と第２スイッチング素子１２０とを電気的に繋ぐ（図２参照）。第１電極５０の少なくとも一部は、ｚ方向において磁気記録層２０と重なる。第２電極６０の少なくとも一部は、ｚ方向において磁気記録層２０と重なる。

【0067】

第１電極５０及び第２電極６０をｚ方向から見た際の平面視形状は、特に問わない。例えば、図４に示す第１電極５０及び第２電極６０は、ｚ方向からの平面視で矩形である。第１電極５０及び第２電極６０は、円形でも楕円形でもよい。

【0068】

第１電極５０及び第２電極６０は、例えば、磁性体を含む。第１電極５０及び第２電極６０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含む。第１電極５０及び第２電極６０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅ等である。第１電極５０及び第２電極６０は、ＳＡＦ構造でもよい。第１電極５０及び第２電極６０は、磁性体を含まなくてもよい。

【0069】

第１電極５０は、例えば、一方向に配向した磁化Ｍ_５０を有する。第２電極６０は、例えば、磁化Ｍ_５０と異なる方向に配向した磁化Ｍ_６０を有する。磁化Ｍ_５０は例えば－ｚ方向に配向し、磁化Ｍ_６０は例えば＋ｚ方向に配向する。第１電極５０及び第２電極６０は、磁気記録層２０のｘ方向の端部の磁化を所定の方向に配向させる。

【0070】

磁壁移動素子１００の第１強磁性層１０、磁気記録層２０、第１電極５０及び第２電極６０のそれぞれの磁化の向きは、例えば磁化曲線を測定することにより確認できる。磁化曲線は、例えば、ＭＯＫＥ（Magneto Optical Kerr Effect）を用いて測定できる。ＭＯＫＥによる測定は、直線偏光を測定対象物に入射させ、その偏光方向の回転等が起こる磁気光学効果(磁気Kerr効果)を用いることにより行う測定方法である。

【0071】

磁気記録アレイ２００の製造方法について説明する。磁気記録アレイ２００は、各層の積層工程と、各層の一部を所定の形状に加工する加工工程により形成される。各層の積層は、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法、電子ビーム蒸着法（ＥＢ蒸着法）、原子レーザデポジッション法等を用いることができる。各層の加工は、フォトリソグラフィー等を用いて行うことができる。

【0072】

まず基板Ｓｕｂの所定の位置に、不純物をドープしソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄを形成する。次いで、ソース領域Ｓとドレイン領域Ｄとの間に、ゲート絶縁膜ＧＩ、ゲート電極Ｇを形成する。ソース領域Ｓ、ドレイン領域Ｄ、ゲート絶縁膜ＧＩ及びゲート電極ＧがトランジスタＴｒとなる。

【0073】

次いで、トランジスタＴｒを覆うように絶縁層８０を形成する。また絶縁層８０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで導電部９０が形成される。第１配線Ｃｍ、第２配線Ｗｐ、第３配線Ｒｐは、絶縁層８０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層８０に溝を形成し、溝に導電体を充填することで形成される。

【0074】

第１構造体４０は、例えば、以下の手順で作製する。まず、絶縁層８０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層８０の表面にｙ方向に延びる溝を形成する。第１部分４１を構成する材料で溝を充填すると、第１部分４１が形成される。隣接する第１部分４１の間に残存した絶縁層８０は第２部分４２となる。

【0075】

また第１構造体４０は、以下の手順で作製してもよい。まず、絶縁層８０を所定の厚みまで積層した後、第１部分４１を構成する材料で形成された第１膜を積層する。次いで、第１膜の表面に、ｙ方向に延びる溝を形成する。溝は、第１膜と異なる材料で充填される。第１膜の残存した部分は第１部分となり、溝を第１膜と異なる材料で充填した部分は第２部分となる。

【0076】

次いで、第１構造体４０及び絶縁層８０の一面に、強磁性層、非磁性層、強磁性層を順に積層し、所定の形状に加工することで、磁気記録層２０、非磁性層３０、第１強磁性層１０が形成される。

【0077】

第１実施形態に係る磁壁移動素子１００は、磁壁２７の移動を精確に制御でき、データの書き込み及び読み出しの信頼性に優れる。以下、その理由について説明する。

【0078】

図６は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の動作を説明するための断面図である。図６は、磁壁移動素子１００を磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面（図４におけるＡ－Ａ面）で切断した断面図である。磁壁移動素子１００にデータを書き込む際、第１電極５０と第２電極６０との間に電流Ｉが流れる。第１部分４１は導体であり、電流Ｉの一部は、第１部分４１に分流する。

【0079】

第１部分４１は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる。スピンホール効果は、電流を流した場合にスピン軌道相互作用に基づき、電流の流れ方向と直交する方向にスピン流が誘起される現象である。スピンホール効果は、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、通常のホール効果と共通する。通常のホール効果は、磁場中で運動する荷電粒子の運動方向がローレンツ力によって曲げられる。これに対し、スピンホール効果は磁場が存在しなくても、電子が移動するだけ（電流が流れるだけ）でスピンの移動方向が曲げられる。

【0080】

第１部分４１には、電流Ｉから分流した電流Ｉ１が流れる。一方向に配向した第１スピンＳ１と、第１スピンＳ１と反対方向に配向した第２スピンＳ２とは、スピンホール効果によって、それぞれ電流と直交する方向に曲げられる。例えば、＋ｙ方向に配向した第１スピンＳ１が＋ｚ方向に曲げられ、－ｙ方向に配向した第２スピンＳ２が－ｚ方向に曲げられる。

【0081】

非磁性体（強磁性体ではない材料）は、スピンホール効果により生じる第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。図６において、＋ｚ方向に向かう第１スピンＳ１の電子数と－ｚ方向に向かう第２スピンＳ２の電子数とは等しい。第１スピンＳ１と第２スピンＳ２は、スピンの偏在を解消する方向に流れる。第１スピンＳ１及び第２スピンＳ２のｙ方向への移動において、電荷の流れは互いに相殺されるため、電流量はゼロとなる。電流を伴わないスピン流は特に純スピン流と呼ばれる。

【0082】

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Ｊ_Ｓと表すと、Ｊ_Ｓ＝Ｊ_↑－Ｊ_↓で定義される。スピン流Ｊ_Ｓは、ｚ方向に生じる。第１構造体４０は、磁気記録層２０に面する。そのため、第１構造体４０の第１部分４１から磁気記録層２０にスピンが注入される。

【0083】

注入されたスピンは、磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャルを変化させる。磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャルは、スピンが注入される第１部分４１に面する部分と、スピンが注入されない第２部分４２に面する部分とで異なる。磁気記録層２０の第１部分４１に面する部分と第２部分４２に面する部分とで、磁壁２７の移動しやすさは変化する。例えば、磁気記録層２０の第１部分４１に面する部分は、第２部分４２に面する部分より磁壁２７が動きにくくなる。

【0084】

磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じると、磁壁２７の動作が段階的になる。磁壁２７は、例えば、磁気記録層２０に印加するパルス電流の印加回数によって位置が制御される。磁壁２７の動作が段階的になると、パルス電流の出力値に多少のばらつきが生じた場合でも、磁壁２７の位置がばらつきにくくなり、磁壁２７の位置を精確に制御できる。

【0085】

磁壁移動素子１００は、磁壁２７の位置によりｚ方向の抵抗値が変化する。磁壁移動素子１００は、ｚ方向の抵抗値で、データを出力する。すなわち、磁壁２７の位置を精確に制御できれば、磁壁移動素子１００の信頼性が向上する。

【0086】

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１の第１構造体の平面図である。第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１は、第１構造体４０Ａの構成が第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の第１構造体４０と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0087】

第１構造体４０Ａは、第１部分４３と第２部分４４とを有する。図７に示す第１構造体４０Ａは、ｚ方向からの平面視で、第１部分４３が第２部分４４の中に互いに離間して複数配置されている。

【0088】

第１部分４３は、例えば、ｚ方向から見てそれぞれ４つの辺を有する。第１部分４３の各辺を接続する角部Ｅｄ１は、それぞれ湾曲している。第１部分４３は、ｚ方向から見て、角が湾曲した四角形である。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に急激なポテンシャル差が生じると、磁気記録層２０内において磁壁移動に必要な電流密度に過度な差が生まれる場合があり、磁壁２７の移動が不安定になる場合がある。磁壁２７の移動が不安定になると、磁壁移動素子１０１が誤動作する可能性がある。角部Ｅｄ１が湾曲していると、第１部分４３内の角部Ｅｄ１付近においてスピン流の発生が抑制される。その結果、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界において、スピン流の発生量が段階的に変化し（スピン流の発生量に面内分布（ばらつき）が生じ）、磁気記録層２０内における急激なポテンシャル変化を抑制し、安定かつ精確な磁壁移動が可能になる。

【0089】

第１構造体４０Ａは、ｘ方向に所定の間隔で複数の領域に区分できる。所定の間隔は任意であり、例えば、磁壁移動素子１０１がデータを多値で段階的に記録する場合は、一つの磁壁移動素子１０１が記録できるデータのビット数に合わせる。各領域において第１部分４３が占める面積率は、領域ごとに異なる。隣接する領域より第１部分４３が占める面積率が大きい領域を第１領域Ｒ１と称し、隣接する領域より第１部分４３が占める面積率が小さい領域を第２領域Ｒ２と称する。第１部分４３が占める面積率は、例えば、第１領域Ｒ１のそれぞれで実質的に等しく、第２領域Ｒ２のそれぞれで実質的に等しい。実質的に等しいとは、それぞれの領域における第１部分４３が占める面積が、平均値に対して２０％以内のブレを許容することを意味する。

【0090】

第１領域Ｒ１及び第２領域Ｒ２は、例えば、ｙ方向に延びる。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは、ｘ方向に交互に配列している。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは、例えば、ｘ方向に実質的に周期的に配列している。実質的に周期的に配列とは、隣接する第１領域Ｒ１間の距離のずれが、第１領域Ｒ１間の平均距離の１０％以内であることを意味する。第１構造体４０Ａのｘ方向の幅、ｙ方向の幅、ｚ方向の厚みは、第１実施形態に係る第１構造体４０と同様である。

【0091】

第１領域Ｒ１は、例えば、第１部分４３と第２部分４４とを有する。第１領域Ｒ１において第１部分４３が占める面積率は、例えば、第２部分４４が占める面積率より大きい。第１領域Ｒ１において第１部分４３が占める面積率は、例えば、５０％以上であり、好ましくは７５％以上であり、より好ましくは９０％以上である。第１部分４３は、例えば、図７に示すようにｙ方向に延びる２つの部分である。第２部分４４は、例えば、第１部分４３以外の部分である。第１部分４３を構成する材料は、第１実施形態における第１部分４１と同様である。

【0092】

第２領域Ｒ２は、例えば、第１部分４３と第２部分４４とを有する。ｘ方向に第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とは重なる。第２領域Ｒ２における第１部分４３は、例えば、第１領域Ｒ１における第１部分４３とｘ方向に重なる。第２領域Ｒ２において第１部分４３が占める面積率は、例えば、第２部分４４が占める面積率より小さい。第２領域Ｒ２において第１部分４３が占める面積率は、例えば、５０％未満であり、好ましくは２５％未満であり、より好ましくは１０％未満である。第１部分４３は、例えば、図７に示すように第２部分４４の中に点在する２つの部分である。第２部分４４は、例えば、第１部分４３以外の部分である。第２部分４４を構成する材料は、第１実施形態における第２部分４２と同様に、第１部分４３と異なる。

【0093】

第１部分４３は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる。注入されたスピンは、磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャルを変化させる。磁気記録層２０の第１領域Ｒ１に面する部分と、第２領域Ｒ２に面する部分とでは、注入されるスピンの量が異なる。磁気記録層２０の第１領域Ｒ１に面する部分は、第２領域Ｒ２に面する部分より多くのスピンが注入される。

【0094】

磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャルは、磁気記録層２０の第１領域Ｒ１に面する部分と第２領域Ｒ２に面する部分とで異なる。磁気記録層２０の第１領域Ｒ１に面する部分と第２領域Ｒ２に面する部分とで、磁壁２７の移動しやすさは変化する。例えば、磁気記録層２０の第１領域Ｒ１に面する部分は、第２領域Ｒ２に面する部分より磁壁２７が動きにくくなる。

【0095】

第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１は、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０１はデータの信頼性に優れる。また領域ごとに、磁気的なポテンシャルの調整が可能となり、磁壁２７の位置をより精確に制御できる。

【0096】

第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１の一例について詳述したが、第２実施形態に係る磁壁移動素子１０１は、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0097】

（第１変形例）
図８は、第１変形例に係る磁壁移動素子１０１Ａの第１構造体４０Ｂの平面図である。第１構造体４０Ｂは、ｚ方向からの平面視で、第２部分４４が第１部分４３内に互いに離間して複数配置されている点が、図７に示す第１構造体４０Ａと異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。

【0098】

第１構造体４０Ｂにおける第１領域Ｒ１は、第１部分４３からなる。第１構造体４０Ｂにおける第１領域Ｒ１は、第２部分４４を有してもよい。第１領域Ｒ１において第１部分４３が占める面積率は、例えば、第２部分４４が占める面積率より大きいことが好ましい。

【0099】

第１構造体４０Ｂにおける第２領域Ｒ２は、例えば、第１部分４３と第２部分４４とを有する。第２部分４４は、例えば、ｚ方向から見てそれぞれ４つの辺を有する。第２部分４４の各辺を接続する角部Ｅｄ２は、それぞれ湾曲している。第２部分４４は、ｚ方向から見て、角が湾曲した四角形である。角部Ｅｄ２が湾曲していると、磁気記録層２０内における急激なポテンシャル変化を抑制し、安定かつ精確な磁壁移動が可能になる。第２領域Ｒ２において第１部分４３が占める面積率は、例えば、第２部分４４が占める面積率より大きい。第２部分４４は、例えば、図８に示すようにｙ方向に延びる２つの部分である。第１部分４３は、例えば、第１部分４３以外の部分である。

【0100】

磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャルは、磁気記録層２０の第１領域Ｒ１に面する部分と第２領域Ｒ２に面する部分とで異なる。第１変形例に係る磁壁移動素子１０１Ａは、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０１Ａのデータの信頼性に優れる。

【0101】

（第２変形例）
図９は、第２変形例に係る磁壁移動素子１０１Ｂの第１構造体４０Ｃの平面図である。第１構造体４０Ｃは、第１部分４３の形状、配置等が、図７に示す第１構造体４０Ａと異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。

【0102】

第１構造体４０Ｃは、隣接する領域より第１部分４３が占める面積率が大きい第１領域Ｒ１と、隣接する領域より第１部分４３が占める面積率が小さい領域を第２領域Ｒ２とに区分される。

【0103】

第１構造体４０Ｃにおける第１領域Ｒ１のそれぞれは、第１部分４３の構成がそれぞれ異なる。第１構造体４０Ｂにおける第２領域Ｒ２は、第２部分４４からなる。

【0104】

最も－ｘ方向に位置する第１領域Ｒ１Ａは、２つの第１部分４３と、第１部分４３以外の第２部分４４とを有する。第１部分４３は、ｚ方向から見てそれぞれ４つの辺を有する。４つの辺のうち隣接する第１部分４３とｙ方向に対向する第１面４３Ａと第２面４３Ｂとは、ｘ方向に対してｙ方向に傾斜している。第１面４３Ａと第２面４３Ｂとがｘ方向に対してｙ方向に傾斜している点が、図７に示す第１領域Ｒ１と異なる。１つの第１部分４３の第１点ｐ１からｘ方向に下した垂線ＰＬ１は、隣接する第１部分４３と重なる。また１つの第１部分４３の第２点ｐ２からｘ方向に下した垂線ＰＬ２は、隣接する第１部分４３と重なる。第１点ｐ１は、第１部分４３の角であり、第１面４３Ａの最も＋ｙ方向に位置する部分である。第２点ｐ２は、第１部分４３の角であり、第２面４３Ｂの最も－ｙ方向に位置する部分である。第１面４３Ａと第２面４３Ｂとがｘ方向に対してｙ方向に傾斜していることで、第１面４３Ａ及び第２面４３Ｂの第１点ｐ１及び第２点ｐ２付近に発生するスピン流が抑制される。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界において、スピン流の発生量が段階的に変化し（スピン流の発生量に面内分布（ばらつき）が生じ）、磁気記録層２０内における急激なポテンシャル変化を抑制し、安定かつ精確な磁壁移動が可能になる。

【0105】

－ｘ方向から２番目に位置する第１領域Ｒ１Ｂは、２つの第１部分４３と、第１部分４３以外の第２部分４４とを有する。１つの第１部分４３の第１点ｐ１からｘ方向に下した垂線ＰＬ１が、隣接する第１部分４３と重ならず、別の第１部分４３の第２点ｐ２からｘ方向に下した垂線ＰＬ２が、隣接する第１部分４３と重ならない点が、第１領域Ｒ１Ａと異なる。その他の構成は、第１領域Ｒ１Ａと同じである。垂線ＰＬ１、ＰＬ２が隣接する第１部分４３と重ならない部分では、第１部分４３で発生したスピン流が磁壁移動層２０に減衰して流れ込む。この減衰により、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界において、スピン流の発生量が段階的に変化する。（スピン流の発生量に面内分布（ばらつき）が生まれる）。その結果、磁気記録層２０内における急激なポテンシャル変化を抑制し、安定かつ精確な磁壁移動が可能になる。

【0106】

－ｘ方向から３番目に位置する第１領域Ｒ１Ｃは、３つの第１部分４３と、第１部分４３以外の第２部分４４とを有する。第１領域Ｒ１Ｃは、第１領域Ｒ１Ｃ内に位置する第１部分４３の数が３つである点が、図７に示す第１領域Ｒ１と異なる。第１領域Ｒ１Ｃは、第１部分４３が３つの場合の一例であり、第１部分４３の数は問わない。第１部分４３の数を設定することで、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界におけるスピン流の発生量の違いを自由に設計できる。

【0107】

－ｘ方向から４番目に位置する第１領域Ｒ１Ｄは、３つの第１部分４３と、第１部分４３以外の第２部分４４とを有する。第１部分４３は、ｚ方向から見てそれぞれ４つの辺を有する四角形である。４つの辺のうち隣接する第１部分４３とｙ方向に対向する第１面４３Ａと第２面４３Ｂとは、ｘ方向に対してｙ方向に傾斜している。第１面４３Ａと第２面４３Ｂとの傾斜方向が第１領域Ｒ１Ａにおける第１部分４３と異なる。第１部分４３の数、及び、第１面４３Ａと第２面４３Ｂの傾斜角を設定することで、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界におけるスピン流の発生量の違いを自由に設計できる。

【0108】

－ｘ方向から５番目に位置する第１領域Ｒ１Ｅは、３つの第１部分４３と、第１部分４３以外の第２部分４４とを有する。第１部分４３は、ｚ方向から見てそれぞれ４つの辺を有する四角形である。４つの辺のうち隣接する第１部分４３とｙ方向に対向する第１面４３Ａと第２面４３Ｂとは、ｘ方向に対してｙ方向に傾斜している。第１面４３Ａと第２面４３Ｂとが平行ではない点が、第１領域Ｒ１Ｄと異なる。第１面４３Ａと第２面４３Ｂの傾斜角をそれぞれ設定することで、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界におけるスピン流の発生量の違いを自由に設計できる。

【0109】

最も＋ｘ方向に位置する第１領域Ｒ１Ｆは、２つの第１部分４３と、第１部分４３以外の第２部分４４とを有する。２つの第１部分４３の角部Ｅｄ１が湾曲していない点が、図７に示す第１領域Ｒ１と異なる。第１部分４３の形状は、ｚ方向からの平面視で、湾曲した角部を有する四角形に限られず、円形、楕円形、四角形でもよい。角部Ｅｄ１が湾曲していないことで、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間に急激なポテンシャル差を生み出し、磁壁２７の動きを制限する位置の位置精度を向上できる。

【0110】

図９では、第１構造体４０Ｃにおける第１領域Ｒ１のそれぞれが異なる構成の場合を例示したが、第１領域Ｒ１のそれぞれが全て第１領域Ｒ１Ａ，Ｒ１Ｂ，Ｒ１Ｃ，Ｒ１Ｄ，Ｒ１Ｅ，Ｒ１Ｆのいずれかであってもよい。図９で例示したように、第１部分４３、第２部分４４の形状、数、構造等は、特に問わない。

【0111】

第２変形例に係る磁壁移動素子１０１Ｂは、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じる。磁気記録層２０内にポテンシャル差を生み出すことができれば、図９で例示したように、第１部分４３、第２部分４４の形状、数、構造等は、特に問わない。第２変形例に係る磁壁移動素子１０１Ｂは、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御でき、データの信頼性に優れる。

【0112】

［第３実施形態］
図１０は、第３実施形態に係る磁壁移動素子１０２の断面図である。図１０は、磁壁移動素子１０２を磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第３実施形態に係る磁壁移動素子１０２は、第１構造体４０Ｄの構成が第１実施形態に係る磁壁移動素子１００の第１構造体４０と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0113】

第１構造体４０Ｄは、第１部分４１と第２部分４５とを有する。第１部分４１及び第２部分４５はｙ方向に延び、ｘ方向に交互に配置されている。第１構造体４０Ｄのｘ方向の幅、ｙ方向の幅、ｚ方向の厚みは、第１実施形態に係る第１構造体４０と同様である。

【0114】

第１部分４１及び第２部分４５は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかを含む。第１部分４１及び第２部分４５の主成分は、非磁性の重金属であることが好ましい。

【0115】

第１部分４１は、例えば、第３族、第４族、第５族及び第６族のいずれかに属する金属元素を主として有する。第１部分４１は、例えば、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗである。第２部分４５は、例えば、第８族、第９族、第１０族、第１１族及び第１２族のいずれかに属する金属元素を主として有する。第２部分４５は、例えば、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕである。第１部分４１と第２部分４５とは、スピンホール角の極性が異なる。第１部分４１は例えば正の極性を示し、第２部分４５は例えば負の極性を示す。

【0116】

「スピンホール角の極性」は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とがスピンホール効果によって曲げられる方向を示す。スピンホール効果は、第１スピンＳ１と第２スピンＳ２とを互いに反対方向に曲げる。第１スピンＳ１は、＋ｚ方向に曲げられる場合と－ｚ方向に曲げられる場合とがある。例えば、第１スピンＳ１が＋ｚ方向に曲げられる場合、第１部分４１は正の極性を有する。

【0117】

また「スピンホール角」は、スピンホール効果の強さの指標の一つであり、第１部分４１又は第２部分４５を流れる電流に対して発生するスピン流の変換効率を示す。スピンホール角の絶対値が大きいほど、多くの第１スピンＳ１又は第２スピンＳ２が磁気記録層２０に注入される。

【0118】

磁壁移動素子１０２にデータを書き込む際、第１電極５０と第２電極６０との間に電流Ｉが流れる。第１部分４１及び第２部分４５は導体であり、電流Ｉの一部は、第１部分４１及び第２部分４５に分流する。

【0119】

第１部分４１及び第２部分４５には、電流Ｉから分流した電流Ｉ２が流れる。第１部分４１及び第２部分４５は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる。第１部分４１と第２部分４５とは、スピンホール角の極性が異なる。第１部分４１から磁気記録層２０へ注入されるスピン（第１スピンＳ１）の向きと、第２部分４５から磁気記録層２０へ注入されるスピン（第２スピンＳ２）の向きと、は異なる。

【0120】

異なる向きのスピンが注入されることで、磁気記録層２０内に磁気的なポテンシャルの差が生じる。第３実施形態に係る磁壁移動素子１０２は、第２部分４５が第１部分４１と異なる向きのスピンを注入するため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００より磁気記録層２０内に生じる磁気的なポテンシャルの差が大きくなる。そのため、第３実施形態に係る磁壁移動素子１０２は、磁壁２７の位置をより精確に制御でき、データの信頼性に優れる。

【0121】

［第４実施形態］
図１１は、第４実施形態に係る磁壁移動素子１０３の断面図である。図１１は、磁壁移動素子１０３を磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第４実施形態に係る磁壁移動素子１０３は、第１導電部７０を有する点が第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0122】

第１導電部７０は、第１構造体４０の磁気記録層２０と反対側に接する。第１導電部７０は、第１構造体４０の第１部分４１とそれぞれ電気的に接続されている。第１導電部７０は、例えば、ｘ方向に延びる配線である。第１導電部７０は、例えば、第１部分４１と同様の材料からなる。第１導電部７０と第１部分４１とは、例えば、同じ材料により構成されている。

【0123】

磁壁移動素子１０３にデータを書き込む際、第１電極５０と第２電極６０との間に電流Ｉが流れる。第１部分４１及び第１導電部７０は導体であり、電流Ｉの一部は、第１部分４１及び第１導電部７０に分流する。

【0124】

第１部分４１及び第１導電部７０には、電流Ｉから分流した電流Ｉ３が流れる。第１部分４１は、互いに第１導電部７０により接続されている。そのため、電流Ｉ３の電流量は、第１部分４１が互いに接続されていない場合（第１実施形態に係る磁壁移動素子１００）に第１部分４１に分流する電流Ｉ１の電流量より大きい。

【0125】

第１部分４１を流れる電流の電流密度が大きいと、スピンホール効果は強く発現する。第１部分４１を流れる電流Ｉ３の電流量が増えることで、多くのスピンが磁気記録層２０に注入される。

【0126】

第４実施形態に係る磁壁移動素子１０３は、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０１はデータの信頼性に優れる。

【0127】

［第５実施形態］
図１２は、第５実施形態に係る磁壁移動素子１０４の断面図である。図１２は、磁壁移動素子１０４を磁気記録層２１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第５実施形態に係る磁壁移動素子１０４は、第１強磁性層１１、磁気記録層２１、非磁性層３１、第１構造体４０Ｅの構成が第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0128】

第１強磁性層１１は、磁化Ｍ_１１を有し、ｘ方向に２つの側面１１ｓを有する。非磁性層３１は、ｘ方向に２つの側面３１ｓを有する。磁気記録層２１は、ｚ方向の表面に、第１面２１ｓを有する。側面１１ｓ、３１ｓ及び第１面２１ｓは、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。側面１１ｓ、３１ｓ及び第１面２１ｓの接線は、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜する。側面１１ｓ、３１ｓ及び第１面２１ｓは、例えば、連続する。例えば、ｘｚ平面において、側面１１ｓ、３１ｓ及び第１面２１ｓを、連続する直線又は曲線で漸近線を描ける場合は、連続的に変化しているとみなせる。側面１１ｓ、３１ｓ及び第１面２１ｓは、イオンミリング、フォトリソグラフィー等で加工される。側面１１ｓ、３１ｓ及び第１面２１ｓは、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜する場合がある。

【0129】

第１構造体４０Ｅは、第１部分４６と第２部分４７とを有する。第１部分４６及び第２部分４７はｙ方向に延び、ｘ方向に交互に配置されている。第１部分４６及び第２部分４７を構成する材料は、第１実施形態に係る第１部分４１及び第２部分４２と同様である。

【0130】

第１部分４６及び第２部分４７のｘ方向の側面４６ｓ、４７ｓは、ｚ方向に対してｘ方向に傾斜している。図１２に示す第１部分４６は、ｘｚ切断面における形状が、上底の長さが下底の長さより短い台形である。図１２に示す第２部分４７は、ｘｚ切断面における形状が、下底の長さが上底の長さより短い台形である。スピンは、第１部分４６の第１面４６ｔから磁気記録層２０に注入される。第１部分４６のｘｚ切断面における形状が、上底の長さが下底の長さより短い台形の場合、第１部分４６で生じたスピンは下底側から上底側に向って集中する。注入されるスピンが局所的に集中することで、磁壁２７の動きを磁気記録層２０のピンポイントで制御できる。

【0131】

第１部分４６は磁気記録層２０と接する第１面４６ｔを有し、第２部分４７は磁気記録層２０と接する第２面４７ｔを有する。第１面４６ｔと第２面４７ｔとはｚ方向に同じ高さ位置にある。第１面４６ｔと第２面４７ｔとは、第１構造体４０Ｅの表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）すると、平坦化する。

【0132】

第５実施形態に係る磁壁移動素子１０４においても、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０４はデータの信頼性に優れる。

【0133】

第５実施形態に係る磁壁移動素子１０４の一例について詳述したが、第５実施形態に係る磁壁移動素子１０４は、本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0134】

（第３変形例）
図１３は、第３変形例に係る磁壁移動素子１０４Ａの断面図である。図１３は、磁壁移動素子１０４Ａを磁気記録層２１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第３変形例にかかる磁壁移動素子１０４は、第１部分４６Ａの磁気記録層２１と接する第１面４６Ａｔが、第２部分４７の磁気記録層２１と接する第２面４７ｔに対して突出している点が、図１２に示す磁壁移動素子１０４と異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。

【0135】

第１構造体４０Ｅは、第１部分４６Ａと第２部分４７とを有する。第１部分４６Ａは、＋ｚ方向の第１面４６Ａｔが＋ｚ方向に向かって突出している点が、図１２に示す第１部分４６と異なる。その他の構成は、図１２に示す第１部分４６と同様である。

【0136】

第１面４６Ａｔは、第２面４７ｔに対して突出している。そのため、磁壁移動素子１０４Ａにおける第１部分４６Ａと磁気記録層２１との接触面積は、磁壁移動素子１０４における第１部分４６と磁気記録層２１との接触面積より広い。スピンは、第１面４６Ａｔを介して磁気記録層２１に注入される。第１面４６Ａｔの面積が広くなると、磁気記録層２１にスピンを注入しやすくなる。

【0137】

また磁気記録層２１のｚ方向の厚みは、第１部分４６とｚ方向に重なる位置と、第２部分４７とｚ方向に重なる位置と、で異なる。すなわち、磁気記録層２１のｚ方向の厚みは、ｘ方向の位置によって異なる。磁気記録層２１内の磁気的なポテンシャルは、磁気記録層２１の形状によっても変化する。従って、磁気記録層２１内の磁気的なポテンシャルは、第１部分４６Ａから注入されるスピンによる効果と、磁気記録層２１の形状に伴う効果を受けて、ｘ方向の位置によって変化する。

【0138】

第３変形例に係る磁壁移動素子１０４Ａは、磁気記録層２１内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０４Ａはデータの信頼性に優れる。

【0139】

（第４変形例）
図１４は、第４変形例に係る磁壁移動素子１０４Ｂの断面図である。図１４は、磁壁移動素子１０４Ｂを磁気記録層２１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第４変形例にかかる磁壁移動素子１０４Ｂは、第１部分４６Ｂの磁気記録層２１と接する第１面４６Ｂｔが、第２部分４７の磁気記録層２１と接する第２面４７ｔに対して凹んでいる点が、図１２に示す磁壁移動素子１０４と異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。

【0140】

第１構造体４０Ｅは、第１部分４６Ｂと第２部分４７とを有する。第１部分４６Ｂは、＋ｚ方向の第１面４６Ｂｔが－ｚ方向に向かって凹んでいる点が、図１２に示す第１部分４６と異なる。その他の構成は、図１２に示す第１部分４６と同様である。

【0141】

第１面４６Ｂｔは、第２面４７ｔに対して窪んでいる。そのため、磁壁移動素子１０４Ｂにおける第１部分４６Ｂと磁気記録層２１との接触面積は、磁壁移動素子１０４における第１部分４６と磁気記録層２１との接触面積より広い。また磁気記録層２１のｚ方向の厚みは、第１部分４６とｚ方向に重なる位置と、第２部分４７とｚ方向に重なる位置と、で異なる。従って、磁気記録層２１内の磁気的なポテンシャルは、第１部分４６Ｂから注入されるスピンによる効果と、磁気記録層２１の形状に伴う効果を受けて、ｘ方向の位置によって変化する。

【0142】

第４変形例に係る磁壁移動素子１０４Ｂは、磁気記録層２１内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０４Ｂはデータの信頼性に優れる。

【0143】

（第５変形例）
図１５は、第５変形例に係る磁壁移動素子１０４Ｃの断面図である。図１５は、磁壁移動素子１０４Ｃを磁気記録層２１のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第５変形例にかかる磁壁移動素子１０４Ｂは、第１部分４６Ｃ及び第２部分４７Ｃの形状が、図１２に示す磁壁移動素子１０４と異なる。その他の構成は同様であり、説明を省く。

【0144】

第１構造体４０Ｅは、第１部分４６Ｃと第２部分４７Ｃとを有する。第１部分４６Ｃは、ｘｚ切断面において、上底の長さが下底の長さより長い台形である点が、図１２に示す第１部分４６と異なる。第２部分４７Ｃは、ｘｚ切断面において、上底の長さが下底の長さより短い台形である点が、図１２に示す第２部分４７と異なる。

【0145】

第１部分４６Ｃは磁気記録層２０と接する第１面４６Ｃｔを有し、第２部分４７Ｃは磁気記録層２０と接する第２面４７Ｃｔを有する。ｚ方向から見て、第１面４６Ｃｔの面積は、第２面４７Ｃｔの面積より広い。第１面４６Ｃｔの面積が広くなると、磁気記録層２１にスピンを注入しやすくなる。

【0146】

第５変形例に係る磁壁移動素子１０４Ｃは、磁気記録層２１内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０４Ｃはデータの信頼性に優れる。

【0147】

また第５変形例に係る磁壁移動素子１０４Ｃは、第１面４６Ｃｔと第２面４７Ｃｔとがｚ方向に同じ高さ位置にある。第１面４６Ｃｔは、第３変形例と同様に第２面４７Ｃｔに対して突出していてもよく、第４変形例と同様に第２面４７Ｃｔに対して窪んでいてもよい。

【0148】

［第６実施形態］
図１６は、第６実施形態に係る磁壁移動素子１０５の断面図である。図１６は、磁壁移動素子１０５を磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。第６実施形態に係る磁壁移動素子１０５は、第１構造体４０Ｆを構成する第１部分４１、４１Ａのｘ方向の幅が一定ではない点が、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0149】

第１構造体４０Ｆは、第１部分４１、４１Ａと第２部分４２とを有する。第１部分４１Ａは、ｚ方向に第１強磁性層１０と重なる位置にある。第１部分４１Ａは、その他の第１部分４１よりｘ方向の幅が広い。第１部分４１、４１Ａと第２部分４２のｚ方向の厚みは、それぞれ異なってもよい。

【0150】

磁気抵抗変化は、非磁性層を挟む二つの強磁性層の磁化の相対角の変化により生じる。磁壁移動素子１０５のｚ方向の抵抗値は、第１強磁性層１０とｚ方向に重なる位置における磁気記録層２０の磁化状態が変化することで、変動する。磁壁２７がｚ方向において第１強磁性層１０と重ならない位置で移動しても、磁壁移動素子１０５のｚ方向の抵抗値は変化しない。換言すると、磁壁２７の動きを最も制御すべき箇所は、磁気記録層２０においてｚ方向において第１強磁性層１０と重なる部分である。

【0151】

第１部分４１Ａは、第１部分４１より磁気記録層２０との接触面積が広く、多くのスピンを磁気記録層２０へ注入する。その結果、磁壁２７は、第１部分４１Ａに面する部分において、第１部分４１に面する部分より動きにくくなる。その結果、磁壁２７は、磁壁移動素子１０５の抵抗値変化に影響を及ぼしにくい領域（第１部分４１Ａに面する部分より第１電極５０又は第２電極６０側）に至りにくくなる。また磁壁２７の移動範囲を規定することで、磁壁移動素子１０５の抵抗値変化の範囲を指定できる。

【0152】

また第６実施形態に係る磁壁移動素子１０５は、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０５はデータの信頼性に優れる。

【0153】

「第７実施形態」
図１７は、第７実施形態にかかる磁壁移動素子１０６の断面図である。図１７は、磁壁移動素子１０６を磁気記録層２０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。磁壁移動素子１０６は、磁気記録層２０と非磁性層３０との間に、第３強磁性層７５を備える点が、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0154】

第３強磁性層７５は、磁性体を含む。第３強磁性層７５は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。第３強磁性層７５を構成する磁性体は、第１強磁性層１０と同様のものを用いることができる。

【0155】

第３強磁性層７５は、磁気記録層２０と互いに隣り合う。第３強磁性層７５と磁気記録層２０との間に中間層を有してもよい。中間層は、例えば、Ｒｕである。

【0156】

第３強磁性層７５の磁化Ｍ_７８、Ｍ_７９は、磁気記録層２０の磁化Ｍ_２８、Ｍ_２９と磁気結合している。第３強磁性層７５は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。第３強磁性層７５と磁気記録層２０とが強磁性カップリングする場合は、第３強磁性層７５の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と同一になる。第３強磁性層７５と磁気記録層２０とが反強磁性カップリングする場合は、第３強磁性層７５の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と反対になる。第３強磁性層７５の内部には、第１磁区７８と第２磁区７９とが形成される。

【0157】

磁壁移動素子１０６の磁気抵抗変化（ＭＲ比）は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体（第１強磁性層１０と第３強磁性層７５）の磁気状態の変化により生じる。第３強磁性層７５は、第１強磁性層１０との間で、コヒーレントトンネル効果を得やすい材料を含むことが好ましい。一方で、磁気記録層２０は、磁壁２７の移動速度が遅くなる材料を含むことが好ましい。

【0158】

第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００において、磁気記録層２０は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体の一方である。磁壁移動素子１００において、磁気記録層２０は、磁壁２７の移動速度が遅く、かつ、磁壁移動素子１００のＭＲ比を向上できる材料により構成されていることが好ましい。これに対し、第７実施形態に係る磁壁移動素子１０６において、磁気記録層２０は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体ではない。磁壁移動素子１０６の場合、磁気記録層２０を構成する材料は、磁壁移動素子１０６のＭＲ比への影響が少ない。したがって、磁壁移動素子１０６は、磁気記録層２０の材料選択の自由度が高い。

【0159】

また第７実施形態に係る磁壁移動素子１０６は、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０６はデータの信頼性に優れる。

【0160】

「第８実施形態」
図１８は、第８実施形態にかかる磁壁移動素子１０７の平面図である。図１９は、第８実施形態にかかる磁壁移動素子１０７を＋ｙ方向から見た側面図である。磁壁移動素子１０７は、第１構造体４０が磁気記録層２０の側面に接している点が、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と異なる。その他の構成は、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様であり、説明を省く。

【0161】

第１構造体４０が磁気記録層２０の側面に位置する場合でも、第１部分４１に電流が分流するため、第１部分４１から磁気記録層２０にスピンが注入される。注入されたスピンは、磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャルを変化させる。その結果、磁気記録層２０の第１部分４１に面する部分と第２部分４２に面する部分とで、磁壁２７の移動しやすさは変化する。

【0162】

従って、第８実施形態に係る磁壁移動素子１０７は、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０７はデータの信頼性に優れる。

【0163】

［第９実施形態］
図２０は、第９実施形態にかかる磁気記録アレイ２０１の要部の断面図である。図２１は、第９実施形態にかかる磁壁移動素子１０８の断面図である。図２０及び図２１は、磁気記録層２０のｙ方向の幅の中心を通るｘｚ平面で切断した断面である。図２０は、便宜上、一つの磁壁移動素子１０８にフォーカスし、磁壁移動素子１０８に接続された３つのトランジスタＴｒを図示している。磁壁移動素子１０８は、磁気記録層２０より第１強磁性層１０が基板Ｓｕｂの近くに位置するボトムピン構造である。図２に示す磁気記録アレイ２００及び図３に示す磁壁移動素子１００と同様の構成については同一の符号を付し、説明を省く。

【0164】

ボトムピン構造の磁気記録アレイ２０１は、以下の手順で作製される。まず基板Ｓｕｂ上に３つのトランジスタＴｒ、第１配線Ｃｍ、第２配線Ｗｐ及び第３配線Ｒｐを絶縁層８０を介して形成する。そして、絶縁層８０の一面に、第１強磁性層１０、非磁性層３０及び磁気記録層２０を順に積層し、それぞれの層を所定の形状に加工する。そして第１強磁性層１０、非磁性層３０及び磁気記録層２０の周囲を更に絶縁層８０で覆う。磁気記録層２０及び絶縁層８０の表面を平坦化した後、第１電極５０及び第２電極６０を形成する。また磁気記録層２０の＋ｚ方向の位置に第１構造体４０を形成することで、磁気記録アレイ２０１が得られる。

【0165】

第９実施形態に係る磁壁移動素子１０８においても、磁気記録層２０内にポテンシャル差が生じるため、第１実施形態に係る磁壁移動素子１００と同様に、磁壁２７の位置を精確に制御できる。したがって、磁壁移動素子１０８はデータの信頼性に優れる。

【0166】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

【0167】

例えば、第１実施形態から第１０実施形態における特徴的な構成をそれぞれ組み合わせてもよい。また各実施形態における変形例を他の実施形態に適用してもよい。

【符号の説明】

【0168】

１０、１１ 第１強磁性層
２０、２１ 磁気記録層
２７ 磁壁
３０、３１ 非磁性層
４０、４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｅ、４０Ｆ 第１構造体
４１、４１Ａ、４３、４６、４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃ 第１部分
４２、４４、４５、４７、４７Ｃ 第２部分
４６Ａｔ、４６Ｂｔ、４６Ｃｔ、４６ｔ 第１面
４７Ａ、４７ｔ 第２面
５０、５１ 第１電極
６０、６１ 第２電極
７０ 第１導電部
７５ 第３強磁性層
８０ 絶縁層
１００、１０１、１０１Ａ、１０１Ｂ、１０２、１０３、１０４、１０４Ａ、１０４Ｂ、１０４Ｃ、１０５、１０６、１０７、１０８ 磁壁移動素子
２００、２０１ 磁気記録アレイ
Ｃｍ１～Ｃｍｎ 第１配線
Ｗｐ１～Ｗｐｎ 第２配線
Ｒｐ１～Ｒｐｎ 第３配線
Ｒ１、Ｒ１Ａ、Ｒ１Ｂ、Ｒ１Ｃ、Ｒ１Ｄ、Ｒ１Ｅ、Ｒ１Ｆ 第１領域
Ｒ２ 第２領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】