特許 7470599 配線層、磁壁移動素子および磁気アレイ

(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】2024-04-10

(45)【発行日】2024-04-18

(54)【発明の名称】配線層、磁壁移動素子および磁気アレイ

(51)【国際特許分類】

   H01L 29/82 20060101AFI20240411BHJP

   H10B 61/00 20230101ALI20240411BHJP

   H10N 50/10 20230101ALI20240411BHJP

   H01F 10/14 20060101ALI20240411BHJP

   H01F 10/16 20060101ALI20240411BHJP

   G11B 5/39 20060101ALI20240411BHJP

   G11B 5/02 20060101ALI20240411BHJP

【ＦＩ】

H01L29/82 Z

H10B61/00

H10N50/10

H01F10/14

H01F10/16

G11B5/39

G11B5/02 R

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020138565

(22)【出願日】2020-08-19

(65)【公開番号】P2022034728

(43)【公開日】2022-03-04

【審査請求日】2022-06-27

(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】山田 章悟

(72)【発明者】

【氏名】柴田 竜雄

【審査官】田邊 顕人

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／１８２０８５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１３８８６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１８１５９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１５０３０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２９５６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／１１９７４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１９／１３８５３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０２０－０２１８５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００９／１２２９９０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２００９－５３６４２０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２９／８２

Ｈ１０Ｂ ６１／００

Ｈ１０Ｎ ５０／１０

Ｈ０１Ｆ １０／１４

Ｈ０１Ｆ １０／１６

Ｇ１１Ｂ ５／３９

Ｇ１１Ｂ ５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１方向に延び、内部に磁壁を有することができる磁壁移動層と、
前記磁壁移動層に埋め込まれた部分を有し、材料又は積層構造が前記磁壁移動層と異なる磁性体と、
前記磁性体と前記磁壁移動層との間に、層間領域と、を有し、
前記層間領域は、前記磁壁移動層を構成する元素と異種元素とが混在しており、
前記異種元素は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗからなる群から選択されるいずれか一つ以上の重金属元素、又は、希ガス元素であり、
前記層間領域は、前記磁性体と前記磁壁移動層との間に凹凸を形成している、配線層。

【請求項2】

前記磁壁移動層は、前記第１方向において前記磁性体の端部のうち前記磁壁移動層の中心側の端部より外側にある第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有し、
前記磁性体は、前記第１領域と接する、請求項１に記載の配線層。

【請求項3】

前記磁性体を２つ有し、
２つの前記磁性体は、前記第１方向に離間している、請求項１又は２に記載の配線層。

【請求項4】

前記磁性体は、前記層間領域との界面において、前記第１方向と直交する面に対して傾斜する傾斜面を有する、請求項１～３のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項5】

前記磁性体は、前記層間領域との界面において、湾曲する湾曲面を有する、請求項１～４のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項6】

前記磁性体の前記第１方向と直交する第２方向の幅は、前記磁壁移動層の前記第２方向の幅より広い、請求項１～５のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項7】

前記磁性体は、前記第１方向において、前記磁壁移動層の第１端と重なる位置にある、請求項１～６のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項8】

前記磁性体は、前記磁壁移動層を厚さ方向に貫通する、請求項１～７のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項9】

前記磁性体は、前記磁壁移動層を厚さ方向に貫通し、前記磁壁移動層の第１面及び前記第１面と対向する第２面から突出する、請求項１～８のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項10】

前記磁性体のうち前記磁壁移動層から露出する部分に接続された第２磁性体をさらに備える、請求項１～９のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項11】

前記第２磁性体は、前記第１方向と直交する面に対して傾斜する傾斜面を有する、請求項１０に記載の配線層。

【請求項12】

前記第２磁性体は、前記磁壁移動層にも接する、請求項１０又は１１に記載の配線層。

【請求項13】

前記磁性体と前記第２磁性体とが一体化している、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項14】

前記磁性体と前記第２磁性体との間にスペーサ層をさらに備える、請求項１０～１３のいずれか一項に記載の配線層。

【請求項15】

前記磁性体の膜厚と飽和磁化との積は、前記第２磁性体の膜厚と飽和磁化との積と、異なる、請求項１４に記載の配線層。

【請求項16】

請求項１～１５のいずれか一項に記載の配線層と、
前記配線層に接続された導電体と、を備え、
前記導電体は、前記磁性体に接続されている、磁壁移動素子。

【請求項17】

請求項１１～１５のいずれか一項に記載の配線層と、
前記配線層に接続された導電体と、を備え、
前記導電体は、前記第２磁性体に接続されている、磁壁移動素子。

【請求項18】

請求項１～１５のいずれか一項に記載の配線層と、
前記配線層に接続された導電体と、を備え、
前記導電体は、前記磁壁移動層と接続され、
前記磁壁移動層の前記導電体が接続された面は、前記磁壁移動層の前記磁性体側の面と異なる、磁壁移動素子。

【請求項19】

請求項１～１５のいずれか一項に記載の配線層と、
厚み方向において前記磁壁移動層と重なる位置にある強磁性層と、
前記配線層と前記強磁性層との間にある非磁性層と、を備える磁壁移動素子。

【請求項20】

前記配線層に接続された導電体をさらに備え、
前記磁性体は、厚み方向から見て、前記第１方向に前記導電体と前記非磁性層との間にある、請求項１９に記載の磁壁移動素子。

【請求項21】

請求項１６～２０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アレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、配線層、磁壁移動素子および磁気アレイに関する。

【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（Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ 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。データ記録は、ＭＲＡＭを構成する磁気抵抗変化素子のそれぞれが担っている。例えば、特許文献１には、第１強磁性層（磁壁移動層）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気抵抗変化素子（磁壁移動素子）が記載されている。特許文献１には、磁壁の移動範囲を制御し、第１強磁性層の単磁区化を防ぐために、第１強磁性層の両端に磁化固定領域を形成することが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特許第５４４５９７０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

磁壁が移動する磁壁移動層は、磁壁がいずれかの端部に至り、磁壁が消滅することを防ぐために、両端に磁化固定領域を有する場合が多い。磁壁が磁化固定領域に侵入すると、磁壁が消滅してしまう場合がある。磁壁移動素子は、磁壁の位置でデータを記録するため、磁壁が消滅するとデータを記録できなくなる。

【0006】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、単磁区化をより防止できる配線層、磁壁移動素子及び磁気アレイ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】

【0007】

（１）第１の態様にかかる配線層は、第１方向に延び、内部に磁壁を有することができる磁壁移動層と、前記磁壁移動層に埋め込まれた部分を有し、材料又は積層構造が前記磁壁移動層と異なる磁性体と、を有する。

【0008】

（２）上記態様にかかる配線層において、前記磁壁移動層は、前記第１方向において前記磁性体の端部のうち前記磁壁移動層の中心側の端部より外側の第１領域と、前記第１領域以外の第２領域とを有し、前記磁性体は、前記第１領域と接してもよい。

【0009】

（３）上記態様にかかる配線層は、前記磁性体を２つ有し、２つの前記磁性体は、前記第１方向に離間していてもよい。

【0010】

（４）上記態様にかかる配線層は、前記磁性体と前記磁壁移動層との間に、層間領域をさらに備えてもよい。

【0011】

（５）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体は、前記磁壁移動層との界面において、前記第１方向と直交する面に対して傾斜する傾斜面を有してもよい。

【0012】

（６）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体は、前記磁壁移動層との界面において、湾曲する湾曲面を有してもよい。

【0013】

（７）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体が厚さ方向の第１面に露出していてもよい。

【0014】

（８）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体の前記第１方向と直交する第２方向の幅は、前記磁壁移動層の前記第２方向の幅より広くてもよい。

【0015】

（９）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体は、前記第１方向において、前記磁壁移動層の第１端と重なる位置にあってもよい。

【0016】

（１０）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体は、前記磁壁移動層を厚さ方向に貫通してもよい。

【0017】

（１１）上記態様にかかる配線層は、前記磁性体のうち前記磁壁移動層から露出する部分に接続された第２磁性体をさらに備えてもよい。

【0018】

（１２）上記態様にかかる配線層において、前記第２磁性体は、前記第１方向と直交する面に対して傾斜する傾斜面を有してもよい。

【0019】

（１３）上記態様にかかる配線層において、前記第２磁性体は、前記磁壁移動層にも接してもよい。

【0020】

（１４）上記態様にかかる配線層において、前記磁性体と前記第２磁性体とが一体化していてもよい。

【0021】

（１５）上記態様にかかる配線層は、前記磁性体と前記第２磁性体との間にスペーサ層をさらに備えてもよい。

【0022】

（１６）第２の態様にかかる磁壁移動素子は、上記態様にかかる配線層と、前記配線層に接続された導電体と、を備え、前記導電体は、前記磁性体に接続されている。

【0023】

（１７）第３の態様にかかる磁壁移動素子は、上記態様にかかる配線層と、前記配線層に接続された導電体と、を備え、前記導電体は、前記第２磁性体に接続されている。

【0024】

（１８）第４の態様にかかる磁壁移動素子は、厚み方向において前記磁壁移動層と重なる位置にある強磁性層と、前記配線層と前記強磁性層との間にある非磁性層と、を備えてもよい。

【0025】

（１９）上記態様にかかる磁壁移動素子は、前記配線層に接続された導電体と、を備え、前記磁性体は、厚み方向から見て、前記第１方向に前記導電体と前記非磁性層との間にあってもよい。

【0026】

（２０）第５の態様にかかる磁気アレイは、上記態様にかかる磁壁移動素子を複数有する。

【発明の効果】

【0027】

上記態様にかかる配線層、磁壁移動素子及び磁気アレイは、配線層が単磁区化しにくい。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】第１実施形態に係る磁気アレイの構成図である。

【図2】第１実施形態に係る磁気アレイの特徴部分の断面図である。

【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変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図6】第２変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図7】第３変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図8】第４変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図9】第５変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図10】第６変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図11】第７変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図12】第８変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図13】第９変形例に係る磁壁移動素子の平面図である。

【図14】第１０変形例に係る磁壁移動素子の断面図である。

【図15】第１１変形例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】

【0029】

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。

【0030】

まず方向について定義する。ｘ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、後述する配線層１０が延びる方向である。ｘ方向は、第１方向の一例である。ｙ方向は、ｘ方向と直交する方向である。ｙ方向は、第２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、例えば、配線層１０の積層方向と一致する。ｚ方向は、厚み方向の一例である。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。

【0031】

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態にかかる磁気アレイの構成図である。磁気アレイ２００は、複数の磁壁移動素子１００と、複数の第１配線Ｗｐと、複数の第２配線Ｃｍと、複数の第３配線Ｒｐと、複数の第１スイッチング素子ＳＷ１と、複数の第２スイッチング素子ＳＷ２と、複数の第３スイッチング素子ＳＷ３と、を備える。磁気アレイ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、磁気光学素子に利用できる。

【0032】

＜第１配線、第２配線、第３配線＞
第１配線Ｗｐのそれぞれは、書き込み配線である。第１配線Ｗｐはそれぞれ、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、使用時に磁気アレイ２００の一端に接続される。

【0033】

第２配線Ｃｍのそれぞれは、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に用いることができる配線である。第２配線Ｃｍのそれぞれは、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２配線Ｃｍ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。

【0034】

第３配線Ｒｐのそれぞれは、読み出し配線である。第３配線Ｒｐはそれぞれ、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、使用時に磁気アレイ２００の一端に接続される。

【0035】

＜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において、複数の磁壁移動素子１００のそれぞれに、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３が接続されている。第１スイッチング素子ＳＷ１は、磁壁移動素子１００と第１配線Ｗｐとの間に接続されている。第２スイッチング素子ＳＷ２は、磁壁移動素子１００と第２配線Ｃｍとの間に接続されている。第３スイッチング素子ＳＷ３は、磁壁移動素子１００と第３配線Ｒｐとの間に接続されている。

【0036】

第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２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Ｗｐと第２配線Ｃｍとの間に書き込み電流が流れる。第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をＯＮにすると、所定の磁壁移動素子１００に接続された第２配線Ｃｍと第３配線Ｒｐとの間に読み出し電流が流れる。

【0037】

第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３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ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３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。

【0038】

第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３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ＳＷ１を共有する場合は、第１配線Ｗｐの上流に一つの第１スイッチング素子ＳＷ１を設ける。例えば、第２スイッチング素子ＳＷ２を共有する場合は、第２配線Ｃｍの上流に一つの第２スイッチング素子ＳＷ２を設ける。例えば、第３スイッチング素子ＳＷ３を共有する場合は、第３配線Ｒｐの上流に一つの第３スイッチング素子ＳＷ３を設ける。

【0039】

図２は、第１実施形態に係る磁気アレイ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を配線層１０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。

【0040】

図２に示す第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２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。第３スイッチング素子ＳＷ３は、第３配線Ｒｐと電気的に接続され、例えば、図２においてｙ方向にずれた位置にある。

【0041】

トランジスタＴｒのそれぞれと磁壁移動素子１００とは、配線ｗ１、ｗ２を介して、電気的に接続されている。配線ｗ１、ｗ２は、導電性を有する材料を含む。配線ｗ１は、ｚ方向に延びるビア配線である。配線ｗ２は、ｘｙ面内のいずれかの方向に延びる面内配線である。配線ｗ１、ｗ２は、絶縁層９０の開口内に形成される。

【0042】

絶縁層９０は、多層配線の配線間や素子間を絶縁する絶縁層である。磁壁移動素子１００とトランジスタＴｒとは、配線ｗ１、ｗ２を除いて、絶縁層９０によって電気的に分離されている。絶縁層９０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。

【0043】

「磁壁移動素子」
図３は、磁壁移動素子１００を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図４は、磁壁移動素子１００をｚ方向から平面視した平面図である。

【0044】

磁壁移動素子１００は、配線層１０と非磁性層３０と強磁性層２０とを有する。磁壁移動素子１００は、絶縁層９０に覆われている。磁壁移動素子１００にデータを書き込む際は、配線層１０に沿って書き込み電流を流す。磁壁移動素子１００からデータを読み出す際は、磁壁移動素子１００のｚ方向に電流を印加し、電極Ｅと配線層１０に接続されたいずれかの配線ｗ１との間に読み出し電流を流す。

【0045】

配線層１０は、磁壁移動層１１と磁性体１２と磁性体１３とを有する。磁性体１３は、第２磁性体の一例である。配線層１０は、データの書き込み時に、書き込み電流が流れる配線である。

【0046】

磁壁移動層１１は、ｘ方向に延びる。磁壁移動層１１は、内部に複数の磁区を有し、複数の磁区の境界に磁壁ＤＷを有する。磁壁移動層１１は、例えば、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。磁壁移動層１１は、強磁性層、磁気記録層と呼ばれる場合がある。

【0047】

磁壁移動層１１は、第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とを有する。第１領域Ａ１は、磁壁移動層１１のｘ方向において、磁性体１２の端部のうち磁壁移動層１１のｘ方向の中心側の端部より外側の領域である。第１領域Ａ１は例えば２つあり、２つの第１領域Ａ１は、第２領域Ａ２をｘ方向に挟む。第１領域Ａ１は、例えば、ｚ方向から見て、磁性体１２と重なる領域である。第２領域Ａ２は、磁壁移動層１１の第１領域Ａ１以外の領域である。

【0048】

第１領域Ａ１は、磁化の向きが一方向に固定された領域である。「磁化の向きが一方向に固定された」とは、第２領域Ａ２の磁化が反転する程度の外力が印加された際に、磁化の向きが変化しないことをいう。第２領域Ａ２を挟む２つの第１領域Ａ１の磁化の配向方向は、反対である。

【0049】

第２領域Ａ２は、磁化の向きが変化し、磁壁ＤＷが移動できる領域である。第２領域Ａ２は、第１磁区Ａ２１と第２磁区Ａ２２とを有する。第１磁区Ａ２１の磁化Ｍ_Ａ２１と第２磁区Ａ２２の磁化Ｍ_Ａ２２とは、配向方向が反対である。第１磁区Ａ２１は、隣接する第１領域Ａ１と磁化の配向方向が同じであり、第２磁区Ａ２２は、隣接する第１領域Ａ１と磁化の配向方向が同じである。

【0050】

第１磁区Ａ２１と第２磁区Ａ２２との境界が磁壁ＤＷである。磁壁ＤＷは、原則、第２領域Ａ２内を移動し、第１領域Ａ１内に侵入しない。

【0051】

第２領域Ａ２内における第１磁区Ａ２１と第２磁区Ａ２２との比率が変化すると、磁壁ＤＷが移動する。磁壁ＤＷは、第２領域Ａ２のｘ方向に書き込み電流を流すことによって移動する。例えば、第２領域Ａ２に＋ｘ方向の書き込み電流（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ＤＷは－ｘ方向に移動する。第１磁区Ａ２１から第２磁区Ａ２２に向って電流が流れる場合、第２磁区Ａ２２でスピン偏極した電子は、第１磁区Ａ２１の磁化Ｍ_Ａ２１を磁化反転させる。第１磁区Ａ２１の磁化Ｍ_Ａ２１が磁化反転することで、磁壁ＤＷは－ｘ方向に移動する。

【0052】

磁壁移動層１１は、磁性体により構成される。磁壁移動層１１は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、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。磁壁移動層１１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ＤＷ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ＤＷの移動速度が遅くなる。

【0053】

磁性体１２は、その一部が磁壁移動層１１に埋め込まれている。磁性体１２は、磁壁移動層１１に形成された開口に嵌合している。磁性体１２は、その一部が第１領域Ａ１に埋め込まれている。磁性体１２の一部は、例えば、磁壁移動層１１から露出していてもよい。例えば、磁性体１２は２つあり、互いに離間している。例えば、２つの磁性体１２は、ｚ方向から見て、非磁性層３０をｘ方向に挟む。

【0054】

磁性体１２は、例えば、底面及び側面で磁壁移動層１１と接している。図３に示す磁性体１２は、配線層１０の第１面１０ａに露出している。配線層１０の第２面１０ｂは、平坦である。第１面１０ａは、配線層１０の非磁性層３０と接する側の面であり、第２面１０ｂは第１面１０ａと反対の面である。磁性体１２は、磁壁移動層１１に内包されていてもよく、第２面１０ｂに露出していてもよい。

【0055】

磁性体１２は、磁壁移動層１１と同様の材料を用いることができる。ただし、磁性体１２は、材料又は積層構造が磁壁移動層１１と異なる。積層構造が異なるとは、積層される層の組成、材質、層数等の層構成が異なることを意味する。磁性体１２は、単一の磁性体でも、複数の層の積層体でもよい。磁性体１２が単一の磁性体の場合は製造が容易であり、磁性体１２が複数の層からなる場合は保磁力等を細かく調整できる。

【0056】

磁性体１２は、磁壁移動層１１との界面において、ｘ方向と直交するｙｚ面に対して傾斜する傾斜面１２ｃを有する。傾斜面１２ｃは、例えば、磁性体１２の非磁性層３０側の側面である。磁性体１２の側面が傾斜すると、磁性体１２と磁壁移動層１１との接触面積が増え、磁性体１２と磁壁移動層１１との磁気結合が強まる。また磁性体１２と磁壁移動層１１との界面がｘ方向に幅を有することで、磁壁ＤＷの第１領域Ａ１への侵入をより防止できる。

【0057】

図４に示すように、磁性体１２をｚ方向から見た形状は、例えば、矩形である。磁性体１２をｚ方向から見た形状は、この場合に限られない。例えば、磁性体１２をｚ方向から見た形状は、矩形、円形、楕円形、オーバル等でもよい。

【0058】

また図４に示すように、例えば、磁性体１２のｙ方向の幅Ｌ１２は、磁壁移動層１１の幅Ｌ１１より長い。磁性体１２と磁壁移動層１１の境界が磁壁移動層１１のｙ方向に延びることで、磁壁移動層１１内のｙ方向の磁気特性分布が均一になる。磁壁移動層１１内のｙ方向の磁気特性分布が均一になると、磁壁ＤＷがｙ方向に対して傾くことを抑制できる。

【0059】

磁性体１３は、磁性体１２のうち磁壁移動層１１内に埋め込まれておらず、磁壁移動層１１から露出する部分に接続されている。磁性体１３は、例えば、磁壁移動層１１のｚ方向の上面から突出する。磁性体１３は、磁性体１２と接する。磁性体１３の磁化Ｍ_１３の向きは、例えば、隣接する磁性体１２の磁化Ｍ_１２の向きと同じである。磁性体１２上に磁性体１３を積み増すことで、第１領域Ａ１の磁化がより反転しにくくなり、磁壁ＤＷの第１領域Ａ１への侵入をより防ぐことができる。

【0060】

磁性体１３は、磁性体１２と同様の材料を用いることができる。磁性体１３と磁性体１２とは、同じ材料からなり、一体化されていてもよい。磁性体１３は導電体であり、配線ｗ１と配線層１０とを接続する電極を兼ねる。また強磁性層２０で生じた熱が磁性体１３を介して排熱され、磁壁移動素子１００の放熱性が高まる。

【0061】

磁性体１３は、例えば、ｙｚ面に対して傾斜する傾斜面１３ｃを有する。傾斜面１３ｃは、例えば、磁性体１３の非磁性層３０側の側面である。磁性体１３の側面が傾斜すると、傾斜面１３ｃからの漏れ磁場が第１領域Ａ１に印加され、第１領域Ａ１への磁壁ＤＷの侵入をより防ぐことができる。

【0062】

また図４に示すように、磁性体１３をｚ方向から見た形状は、磁性体１２と略同一である。また例えば、磁性体１３のｙ方向の幅は、磁性体１２のｙ方向の幅と略同一である。磁性体１３のｙ方向の幅は、磁性体１２のｙ方向の幅より広くてもよい。

【0063】

磁性体１３には、導電体である配線ｗ１が接続されている。磁性体１３は、配線ｗ１等を介してトランジスタＴｒに接続されている。

【0064】

非磁性層３０は、磁壁移動層１１と強磁性層２０との間に位置する。非磁性層３０は、磁壁移動層１１の一面に積層される。

【0065】

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。

【0066】

非磁性層３０の厚みは、例えば、２０Å以上であり、２５Å以上でもよい。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、１×１０^４Ωμｍ^２以上であることが好ましく、５×１０^４Ωμｍ^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。

【0067】

強磁性層２０は、非磁性層３０に積層されている。強磁性層２０は、磁壁移動層１１の第２領域Ａ２とｚ方向に重なる位置にある。強磁性層２０の磁化Ｍ_２０は、磁壁移動層１１の第２領域Ａ２の磁化Ｍ_Ａ２１，Ｍ_Ａ２２より反転しにくい。強磁性層２０の磁化Ｍ_２０は、第２領域Ａ２の磁化が反転する程度の外力が印加された際に向きが変化せず、固定されている。強磁性層２０は、磁化固定層、磁化参照層と言われる場合がある。

【0068】

強磁性層２０は、強磁性体を含む。強磁性層２０は、例えば、磁壁移動層１１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。強磁性層２０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。強磁性層２０は、例えば、Ｃｏ－Ｆｅ、Ｃｏ－Ｆｅ－Ｂ、Ｎｉ－Ｆｅである。

【0069】

強磁性層２０は、例えば、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。

【0070】

磁壁移動素子１００の各層の磁化の向きは、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】

次いで、磁気アレイ２００の製造方法について説明する。磁気アレイ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９０を形成する。また絶縁層９０に開口部を形成し、開口部内に導電体を充填することで配線ｗ１が形成される。第１配線Ｗｐ、第２配線Ｃｍ、第３配線Ｒｐ、配線ｗ２は、絶縁層９０を所定の厚みまで積層した後、絶縁層９０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】

磁壁移動層１１は絶縁層９０上に積層される。非磁性層３０及び強磁性層２０は、磁壁移動層１１上に積層される。非磁性層３０及び強磁性層２０は所定の形状に加工される。磁壁移動層１１の所定の位置に開口を設け、開口内を磁性体１２で埋める。磁性体１２上に磁性体１３を積み増してもよい。磁壁移動層１１、磁性体１２、１３で配線層１０となる。上記の手順で、磁壁移動素子１００が得られる。

【0075】

第１実施形態に係る磁壁移動素子１００は、磁性体１２が磁壁移動層１１に埋め込まれていることで、第１領域Ａ１の磁化が強く固定される。その結果、意図せぬ外力等が生じた場合でも、磁壁ＤＷが第１領域Ａ１に侵入せず、磁壁移動層１１の単磁区化を防ぐことができる。

【0076】

第１実施形態に係る磁気アレイ２００及び磁壁移動素子１００の一例について詳述したが、第１実施形態に係る磁気アレイ２００及び磁壁移動素子１００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。

【0077】

（第１変形例）
図５は、第１変形例にかかる磁壁移動素子１０１を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図５において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0078】

磁壁移動素子１０１は、磁性体１２と磁性体１３との間にスペーサ層１４を有する。スペーサ層１４は、非磁性層である。スペーサ層１４は、例えば、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｒｈである。磁性体１２、スペーサ層１４及び磁性体１３は、絶縁層９０及び磁壁移動層１１に形成した開口に沿って積層される。開口は、例えば、磁壁移動層１１、非磁性層３０、強磁性層２０を順に積層し、その周囲を絶縁層９０で埋めた後に、所定の位置に形成する。

【0079】

磁性体１２と磁性体１３とは、例えば、反強磁性結合している。磁性体１２の磁化Ｍ_１２と磁性体１３の磁化Ｍ_１３とは、磁化の配向方向が反対である。磁性体１３は、例えば、磁性体１２と同様の材料、反強磁性膜等を用いることができる。磁性体１２と磁性体１３とは強磁性結合していてもよい。磁性体１２の磁化Ｍ_１２は、磁性体１３の磁化Ｍ_１３と結合することで強く固定される。

【0080】

磁性体１２の膜厚と飽和磁化との積は、磁性体１３の膜厚と飽和磁化との積と略同一である。例えば、磁性体１２と磁性体１３とは、スペーサ層１４を挟んで、シンセティック反強磁性構造をしている。磁性体１２の膜厚と飽和磁化との積は、磁性体１３の膜厚と飽和磁化との積と異なっていてもよい。膜厚と飽和磁化との積が、磁性体１２と磁性体１３とで異なると、製造時において磁化の初期状態を決定しやすくなる。外部磁場を印加した後に外部磁場の印加をやめると、膜厚と飽和磁化との積が大きい方の磁性体の磁化が外部磁場の印加方向に配向し、膜厚と飽和磁化との積が小さい方の磁性体の磁化が外部磁場の印加方向と反対方向に配向する。また磁壁移動層１１の第１端部に接続する磁性体１２の膜厚と飽和磁化との積を磁性体１３の膜厚と飽和磁化との積より大きくし、磁壁移動層１１の第２端部に接続する磁性体１２の膜厚と飽和磁化との積を磁性体１３の膜厚と飽和磁化との積より小さくしてもよい。当該構成であれば、外部磁場は一方向に印加するだけで、磁化の初期状態を簡単に決定できる。

【0081】

第１変形例に係る磁壁移動素子１０１は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また磁性体１２と磁性体１３とが反強磁性結合すると、磁性体１２及び磁性体１３からの漏れ磁場の影響を小さくできる。

【0082】

（第２変形例）
図６は、第２変形例にかかる磁壁移動素子１０２を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図６において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0083】

磁壁移動素子１０２の磁性体１２は、磁壁移動層１１との界面において、湾曲する湾曲面１２ｄを有する。磁性体１２と磁壁移動層１１との界面が湾曲すると、書き込み電流の局所的な集中を避けることができる。電流は、角等の形状が急激に変化する部分に集中しやすいためである。

【0084】

第２変形例に係る磁壁移動素子１０２は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また書き込み電流の局所的な集中を抑制することで、磁性体１２と磁壁移動層１１との界面における電流密度の偏り、発熱を抑制できる。

【0085】

（第３変形例）
図７は、第３変形例にかかる磁壁移動素子１０３を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図７において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0086】

磁壁移動素子１０３は、磁性体１２と磁壁移動層１１との間に、層間領域１５を有する。層間領域１５は、例えば、磁壁移動層１１を構成する元素と異種元素とが混在している。異種元素は、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｔａ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｗ等の重金属元素や、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ等の希ガス元素である。

【0087】

異種元素は、磁壁ＤＷのトラップサイトとなり、磁壁ＤＷの移動を阻害する。また異種元素が打ち込まれることで、磁壁移動層１１と磁性体１２との界面に凹凸が生じ、磁壁移動層１１と磁性体１２の接触面積が増える。磁壁移動層１１と磁性体１２との接触面積が増えると、磁壁移動層１１と磁性体１２との磁気結合が強まり、第１領域Ａ１の磁化が強く固定される。

【0088】

この他、第３変形例に係る磁壁移動素子１０３は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。

【0089】

（第４変形例）
図８は、第４変形例にかかる磁壁移動素子１０４を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図８において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0090】

磁壁移動素子１０４は、磁性体１２がｚ方向において磁壁移動層１１の第１端と重なる位置にある。磁性体１２の一部は、磁壁移動層１１からｘ方向に突出している。

【0091】

磁性体１２が磁壁移動層１１の端部にあると、第２領域Ａ２を広く確保できる。磁壁ＤＷは、第２領域Ａ２内を移動し、磁壁移動素子１０４は磁壁ＤＷの位置によってデータを記憶する。磁壁ＤＷの移動範囲が広がることで、磁壁移動素子１０４のデータの階調を増やすことができる。

【0092】

この他、第４変形例に係る磁壁移動素子１０４は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。

【0093】

（第５変形例）
図９は、第５変形例にかかる磁壁移動素子１０５を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図９において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0094】

磁壁移動素子１０５は、磁性体１２が磁壁移動層１１をｚ方向に貫通している。磁性体１２の一部は、磁壁移動層１１の下面から突出している。

【0095】

第５変形例に係る磁壁移動素子１０５は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また磁性体１２が磁壁移動層１１を貫通することで、磁性体１２が磁壁移動層１１をｘ方向に分断することで、磁壁ＤＷが磁壁移動層１１の端部まで至ることをより防止できる。

【0096】

（第６変形例）
図１０は、第６変形例にかかる磁壁移動素子１０６を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図１０において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0097】

磁壁移動素子１０６は、磁性体１３が磁性体１２及び磁壁移動層１１と接している。磁性体１３の下面のｘ方向の幅は、例えば、磁性体１２の上面のｘ方向の幅より広い。

【0098】

第６変形例に係る磁壁移動素子１０６は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。また第１領域Ａ１の磁化が磁性体１２及び磁性体１３によって固定されることで、第１領域Ａ１の磁化がより反転しにくくなる。

【0099】

（第７変形例）
図１１は、第７変形例にかかる磁壁移動素子１０７を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図１１において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0100】

磁壁移動素子１０７は、磁性体１３を有さない。磁壁移動素子１０７の磁性体１２には、導電体である配線ｗ１が直接接続されている。

【0101】

第７変形例に係る磁壁移動素子１０７は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。

【0102】

（第８変形例）
図１２は、第８変形例にかかる磁壁移動素子１０８を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図１２において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0103】

磁壁移動素子１０８は、ｚ方向から見て、配線ｗ１と磁性体１２とが重ならない位置にある。磁性体１２は、ｘ方向に、配線ｗ１と非磁性層３０との間にある。配線ｗ１は、磁壁移動層１１と磁性体１２以外の位置で接続される。

【0104】

第８変形例に係る磁壁移動素子１０８は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。書き込み電流が配線ｗ１に流れる点より手前に磁性体１２が存在することで、磁壁ＤＷが磁壁移動層１１の端部まで至ることをより防止できる。また第１領域Ａ１の面積が大きくなることで、第２領域Ａ２に至る電子のスピン偏極が強まる。

【0105】

（第９変形例）
図１３は、第９変形例にかかる磁壁移動素子１０９をｚ方向から見た平面図である。図１３において、図４と同様の構成についての説明は省く。

【0106】

磁性体１２のｙ方向の幅Ｌ１２は、磁壁移動層１１の幅Ｌ１１より短い。磁性体１２は、磁壁移動層１１と底面及び側面で接する。磁性体１２のｙ方向の側面も磁壁移動層１１と接することで、磁壁移動層１１と磁性体１２との接触面積が増える。

【0107】

第９変形例に係る磁壁移動素子１０９は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。

【0108】

（第１０変形例）
図１４は、第１０変形例にかかる磁壁移動素子１１０を配線層１０のｙ方向の中心を通るｘｚ平面で切断した断面図である。図１４において、図３と同様の構成についての説明は省く。

【0109】

磁壁移動素子１１０は、非磁性層３０、強磁性層２０を有さない。磁壁移動素子１１０は、磁気光学効果を利用して光学素子である。磁壁移動層１１における磁壁ＤＷの位置によって、磁壁移動層１１に入射した光の反射光又は透過光の位相が変化する。

【0110】

第１０変形例に係る磁壁移動素子１１０は、第１実施形態にかかる磁壁移動素子１００と同様の効果が得られる。

【0111】

この他、磁性体１２の側面は傾斜又は湾曲していなくてもよい。また磁性体１２は、磁壁移動層１１の表面に露出せず、磁壁移動層１１に内包されていてもよい。また図１５に示す磁壁移動素子１１１のように、磁壁移動層１１に対して配線ｗ１が接続された面と、磁性体１２が露出する面とが一致しなくてもよい。

【0112】

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述した。実施形態及び変形例における特徴的な構成は、それぞれ組み合わせてもよい。

【符号の説明】

【0113】

１０ 配線層
１０ａ 第１面
１０ｂ 第２面
１１ 磁壁移動層
１２、１３ 磁性体
１２ｃ、１３ｃ 傾斜面
１２ｄ 湾局面
１４ スペーサ層
１５ 層間領域
２０ 強磁性層
３０ 非磁性層
９０ 絶縁層
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８、１０９、１１０ 磁壁移動素子
２００ 磁気アレイ
Ａ１ 第１領域
Ａ２ 第２領域
Ａ２１ 第１磁区
Ａ２２ 第２磁区
ＤＷ 磁壁

【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】