JP7470599B2 - Wiring layer, domain wall motion element and magnetic array - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a wiring layer, a domain wall motion element, and a magnetic array.
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。 Attention is being focused on next-generation non-volatile memory to replace flash memory and other memory devices, which are reaching the limits of miniaturization. For example, MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory), ReRAM (Resistive Random Access Memory), and PCRAM (Phase Change Random Access Memory) are known as next-generation non-volatile memories.
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。 MRAM uses the change in resistance value caused by a change in the magnetization direction to record data. Data recording is performed by each of the magnetoresistance change elements that make up the MRAM. For example, Patent Document 1 describes a magnetoresistance change element (domain wall motion element) that can record multi-value data by moving the domain wall in the first ferromagnetic layer (domain wall motion layer). Patent Document 1 also describes the formation of magnetization fixed regions at both ends of the first ferromagnetic layer in order to control the range of domain wall motion and prevent the first ferromagnetic layer from becoming a single magnetic domain.
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。 The domain wall motion layer, in which the domain wall moves, often has a fixed magnetization region at both ends to prevent the domain wall from reaching either end and disappearing. If the domain wall invades the fixed magnetization region, the domain wall may disappear. Since the domain wall motion element records data at the position of the domain wall, if the domain wall disappears, data cannot be recorded.
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。 The present invention was made in consideration of the above problems, and aims to provide a wiring layer, a domain wall motion element, and a magnetic array that can better prevent single magnetic domain formation.
(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。 (1) The wiring layer according to the first aspect has a domain wall displacement layer that extends in a first direction and can have a domain wall therein, and a magnetic body that has a portion embedded in the domain wall displacement layer and is made of a different material or has a different laminated structure from the domain wall displacement layer.
(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。 (2) In the wiring layer according to the above aspect, the domain wall displacement layer has a first region that is outside the end of the magnetic body that is closer to the center of the domain wall displacement layer in the first direction, and a second region other than the first region, and the magnetic body may be in contact with the first region.
(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。 (3) The wiring layer according to the above aspect may have two of the magnetic bodies, and the two magnetic bodies may be spaced apart in the first direction.
(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。 (4) The wiring layer according to the above aspect may further include an interlayer region between the magnetic body and the domain wall displacement layer.
(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。 (5) In the wiring layer according to the above aspect, the magnetic body may have an inclined surface at the interface with the domain wall displacement layer that is inclined with respect to a plane perpendicular to the first direction.
(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。 (6) In the wiring layer according to the above aspect, the magnetic body may have a curved surface at the interface with the domain wall displacement layer.
(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。 (7) In the wiring layer according to the above aspect, the magnetic body may be exposed on a first surface in the thickness direction.
(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。 (8) In the wiring layer according to the above aspect, the width of the magnetic body in a second direction perpendicular to the first direction may be wider than the width of the domain wall displacement layer in the second direction.
(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。 (9) In the wiring layer according to the above aspect, the magnetic body may be located so as to overlap with a first end of the domain wall displacement layer in the first direction.
(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。 (10) In the wiring layer according to the above aspect, the magnetic body may penetrate the domain wall displacement layer in the thickness direction.
(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。 (11) The wiring layer according to the above aspect may further include a second magnetic body connected to a portion of the magnetic body that is exposed from the domain wall displacement layer.
(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。 (12) In the wiring layer according to the above aspect, the second magnetic body may have an inclined surface that is inclined with respect to a plane perpendicular to the first direction.
(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。 (13) In the wiring layer according to the above aspect, the second magnetic body may also be in contact with the domain wall displacement layer.
(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。 (14) In the wiring layer according to the above aspect, the magnetic body and the second magnetic body may be integrated.
(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。 (15) The wiring layer according to the above aspect may further include a spacer layer between the magnetic body and the second magnetic body.
(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。 (16) The domain wall motion element of the second aspect comprises a wiring layer of the above aspect and a conductor connected to the wiring layer, and the conductor is connected to the magnetic body.
(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。 (17) The domain wall motion element of the third aspect comprises a wiring layer of the above aspect and a conductor connected to the wiring layer, and the conductor is connected to the second magnetic body.
(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。 (18) The domain wall motion element of the fourth aspect may include a ferromagnetic layer that is positioned to overlap the domain wall motion layer in the thickness direction, and a non-magnetic layer that is between the wiring layer and the ferromagnetic layer.
(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。 (19) The domain wall motion element according to the above aspect may include a conductor connected to the wiring layer, and the magnetic body may be between the conductor and the non-magnetic layer in the first direction when viewed from the thickness direction.
(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。 (20) The magnetic array according to the fifth aspect has a plurality of domain wall motion elements according to the above aspect.
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。 The wiring layer, domain wall motion element, and magnetic array according to the above aspects are less likely to become a single magnetic domain.
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。 The present embodiment will be described in detail below with reference to the drawings as appropriate. The drawings used in the following description may show enlarged characteristic parts for the sake of convenience in order to make the features of the present invention easier to understand, and the dimensional ratios of each component may differ from the actual ones. The materials, dimensions, etc. exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to them. Appropriate changes can be made within the scope of the effects of the present invention.
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。
First, the directions are defined. The x and y directions are substantially parallel to one surface of the substrate Sub (see FIG. 2) described later. The x direction is the direction in which the
[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。
[First embodiment]
1 is a configuration diagram of a magnetic array according to a first embodiment. The
<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。
<First Wiring, Second Wiring, Third Wiring>
Each of the first wirings Wp is a write wiring. Each of the first wirings Wp electrically connects a power source to one or more of the domain
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。
Each of the second wirings Cm is a common wiring. The common wiring is a wiring that can be used both when writing and reading data. Each of the second wirings Cm electrically connects a reference potential to one or more domain
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。
Each of the third wirings Rp is a read wiring. Each of the third wirings Rp electrically connects a power source to one or more domain
<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。
<First Switching Element, Second Switching Element, Third Switching Element>
1, a first switching element SW1, a second switching element SW2, and a third switching element SW3 are connected to each of the multiple domain
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。
When the first switching element SW1 and the second switching element SW2 are turned ON, a write current flows between the first wiring Wp and the second wiring Cm connected to a specific domain
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。 The first switching element SW1, the second switching element SW2, and the third switching element SW3 are elements that control the flow of current. The first switching element SW1, the second switching element SW2, and the third switching element SW3 are, for example, elements that use a phase change in a crystal layer such as a transistor or an Ovonic Threshold Switch (OTS), elements that use a change in band structure such as a Metal-Insulator Transition (MIT) switch, elements that use a breakdown voltage such as a Zener diode and an avalanche diode, and elements whose conductivity changes with a change in atomic position.
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。
Any of the first switching element SW1, the second switching element SW2, and the third switching element SW3 may be shared by domain
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。
Figure 2 is a cross-sectional view of a main part of the
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。 The first switching element SW1 and the second switching element SW2 shown in FIG. 2 are transistors Tr. The transistor Tr has a gate electrode G, a gate insulating film GI, and a source region S and a drain region D formed in a substrate Sub. The substrate Sub is, for example, a semiconductor substrate. The third switching element SW3 is electrically connected to the third wiring Rp and is, for example, shifted in the y direction in FIG. 2.
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。
Each of the transistors Tr and the domain
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(SiOx)、窒化シリコン(SiNx)、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(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrOx)等である。
The insulating
「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。
"Magnetic domain wall motion element"
Fig. 3 is a cross-sectional view of the domain
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。
The domain
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。
The
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。
The domain
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。
The domain
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。 The first region A1 is a region in which the magnetization direction is fixed in one direction. "The magnetization direction is fixed in one direction" means that the magnetization direction does not change when an external force strong enough to reverse the magnetization of the second region A2 is applied. The magnetization orientation directions of the two first regions A1 on either side of the second region A2 are opposite.
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MA21と第2磁区A22の磁化MA22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。 The second region A2 is a region where the magnetization direction can change and the domain wall DW can move. The second region A2 has a first magnetic domain A21 and a second magnetic domain A22. The magnetization M A21 of the first magnetic domain A21 and the magnetization M A22 of the second magnetic domain A22 are oriented in opposite directions. The first magnetic domain A21 has the same magnetization orientation direction as the adjacent first region A1, and the second magnetic domain A22 has the same magnetization orientation direction as the adjacent first region A1.
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。 The boundary between the first magnetic domain A21 and the second magnetic domain A22 is the domain wall DW. In principle, the domain wall DW moves within the second area A2 and does not invade the first area A1.
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MA21を磁化反転させる。第1磁区A21の磁化MA21が磁化反転することで、磁壁DWは-x方向に移動する。 When the ratio of the first magnetic domain A21 to the second magnetic domain A22 in the second region A2 changes, the domain wall DW moves. The domain wall DW moves by applying a write current in the x direction of the second region A2. For example, when a write current (e.g., a current pulse) in the +x direction is applied to the second region A2, electrons flow in the -x direction opposite to the current, and the domain wall DW moves in the -x direction. When a current flows from the first magnetic domain A21 to the second magnetic domain A22, electrons spin-polarized in the second magnetic domain A22 reverse the magnetization M A21 of the first magnetic domain A21. The magnetization reversal of the magnetization M A21 of the first magnetic domain A21 causes the domain wall DW to move in the -x direction.
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。
The domain
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。
A part of the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 4, the shape of the
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。
As shown in FIG. 4, for example, the width L12 of the
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M13の向きは、例えば、隣接する磁性体12の磁化M12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。
The
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。
The
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。
The
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。
As shown in FIG. 4, the shape of
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。
A conductive wiring w1 is connected to the
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。
The
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、Al2O3、SiO2、MgO、MgAl2O4、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、CuInSe2、CuGaSe2、Cu(In,Ga)Se2等である。
The
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、1×104Ωμm2以上であることが好ましく、5×104Ωμm2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。
The thickness of the
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M20は、磁壁移動層11の第2領域A2の磁化MA21,MA22より反転しにくい。強磁性層20の磁化M20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。
The
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。
The
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X2YZ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、Co2FeSi、Co2FeGe、Co2FeGa、Co2MnSi、Co2Mn1-aFeaAlbSi1-b、Co2FeGe1-cGac等が挙げられる。
The
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。
The magnetization direction of each layer of the domain
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。
Next, a method for manufacturing the
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。 First, impurities are doped into predetermined positions of the substrate Sub to form a source region S and a drain region D. Next, a gate insulating film GI and a gate electrode G are formed between the source region S and the drain region D. The source region S, the drain region D, the gate insulating film GI, and the gate electrode G form the transistor Tr.
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。
Next, an insulating
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。
The domain
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。
In the domain
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。
An example of the
(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。
(First Modification)
5 is a cross-sectional view of the domain
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。
The domain
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M12と磁性体13の磁化M13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M12は、磁性体13の磁化M13と結合することで強く固定される。
The
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。
The product of the film thickness and saturation magnetization of the
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。
The domain
(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。
(Second Modification)
6 is a cross-sectional view of the domain
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。
The
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。
The domain
(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。
(Third Modification)
7 is a cross-sectional view of the domain
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。
The domain
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。
The heterogeneous elements become trap sites for the domain wall DW and inhibit the movement of the domain wall DW. Furthermore, the implantation of the heterogeneous elements creates unevenness at the interface between the domain
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。
In addition, the domain
(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。
(Fourth Modification)
8 is a cross-sectional view of the domain
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。
The domain
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。
When the
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。
In addition, the domain
(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。
(Fifth Modification)
9 is a cross-sectional view of the domain
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。
In the domain
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。
The domain
(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。
(Sixth Modification)
10 is a cross-sectional view of the domain
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。
In the domain
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。
The domain
(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。
(Seventh Modification)
11 is a cross-sectional view of the domain
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。
The domain
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。
The domain
(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。
(Eighth Modification)
12 is a cross-sectional view of the domain
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。
When viewed from the z direction, the domain
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。
The domain
(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。
(Ninth Modification)
13 is a plan view of a domain
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。
The width L12 of the
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。
The domain
(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。
(Tenth Modification)
14 is a cross-sectional view of the domain
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。
The domain
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。
The domain
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。
In addition, the side of the
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。 The above describes the preferred embodiment of the present invention in detail. The characteristic configurations in the embodiment and the modified examples may be combined with each other.
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
10
Claims (21)
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。 a magnetic domain wall displacement layer extending in a first direction and capable of having a magnetic domain wall therein;
a magnetic body having a portion embedded in the domain wall displacement layer and having a material or a laminated structure different from that of the domain wall displacement layer;
an interlayer region between the magnetic body and the domain wall displacement layer;
the interlayer region contains a mixture of an element constituting the domain wall displacement layer and a different element,
The different element is at least one heavy metal element selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, Cu, Ta, Ru, Pd, Pt, and W, or a rare gas element;
The interlayer region forms unevenness between the magnetic body and the domain wall displacement layer .
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。 the domain wall displacement layer has a first region that is located outside an end of the magnetic body on a center side of the domain wall displacement layer in the first direction, and a second region other than the first region,
The wiring layer according to claim 1 , wherein the magnetic body is in contact with the first region.
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。 The magnetic body has two magnetic bodies.
The wiring layer according to claim 1 , wherein the two magnetic bodies are spaced apart from each other in the first direction.
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。 The wiring layer according to any one of claims 1 to 15,
a conductor connected to the wiring layer,
The conductor is connected to the magnetic body.
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。 The wiring layer according to any one of claims 11 to 15,
a conductor connected to the wiring layer,
The conductor is connected to the second magnetic body.
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。 The wiring layer according to any one of claims 1 to 15,
a conductor connected to the wiring layer,
the conductor is connected to the domain wall displacement layer,
A domain wall motion element, wherein a surface of the domain wall motion layer to which the conductor is connected is different from a surface of the domain wall motion layer on the side of the magnetic material.
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。 The wiring layer according to any one of claims 1 to 15,
a ferromagnetic layer located at a position overlapping the domain wall displacement layer in a thickness direction;
a non-magnetic layer between the wiring layer and the ferromagnetic layer.
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。 A conductor connected to the wiring layer is further provided.
The domain wall motion element according to claim 19 , wherein the magnetic body is located between the conductor and the non-magnetic layer in the first direction when viewed in a thickness direction.
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