情報記憶素子、及び、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法
【課題】安定した磁壁の移動を可能とし、確実に情報の書き込み、保持、読み出しを行い得る磁壁移動型の磁気メモリから成る情報記憶素子を提供する。
【解決手段】情報記憶素子１００は、帯状の強磁性材料層１１１を備えており、強磁性材料層の一端及び他端には第１電極１２１、第２電極１２２が設けられており、第１電極１２１と第２電極１２２との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、強磁性材料層１１１において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層１１１の厚さ方向に平行であり、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層１１１の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を強磁性材料層１１１に生じさせる。
【解決手段】情報記憶素子１００は、帯状の強磁性材料層１１１を備えており、強磁性材料層の一端及び他端には第１電極１２１、第２電極１２２が設けられており、第１電極１２１と第２電極１２２との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、強磁性材料層１１１において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層１１１の厚さ方向に平行であり、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層１１１の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を強磁性材料層１１１に生じさせる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報記憶素子、及び、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器においては、現在、外部記憶装置として、ハードディスクドライブが広く用いられている。しかしながら、ハードディスクドライブは回転機構を伴うため、小型化や省電力化が難しい。そこで、小型機器用の外部記憶装置として、フラッシュメモリを用いたシリコンディスクドライブ（ＳＳＤ）が用いられ始めているが、価格が高く、記憶容量も十分ではない。それ故、大記憶容量で、不揮発性、且つ、高速の情報書込み・読出しが可能な記憶装置が強く望まれている。
【０００３】
このような記憶装置の１形態として、情報を磁性体の磁化状態として記録する磁気メモリの発展型である電流誘起磁壁移動型の磁気メモリが考案されている（例えば、特開２００５−１２３６１７や特開２００６−２３７１８３参照）。この電流誘起磁壁移動型の磁気メモリにあっては、帯状の強磁性材料層を複数の磁化領域（磁区）に分割して、強磁性材料層に電流を流すことで、磁化領域の境界である磁壁を移動させながら、強磁性材料層の磁化領域に情報を書き込み、また、情報の読み出しを行う。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２３６１７
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような電流誘起磁壁移動型の磁気メモリには、情報の保持、安定した磁壁の移動に未だ問題がある。磁壁を移動させ易くするためには、強磁性材料層の厚さを薄くしたり、強磁性材料層に軟磁性材料を用いることが考えられるが、このような解決手段は、情報を安定に保持することと反する。また、強磁性材料層内において磁壁が長い距離を移動したとき、磁壁間の距離が変化して情報誤りを起こし易くなる虞がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、安定した磁壁の移動を可能とし、確実に情報の書き込み、保持、読み出しを行い得る磁壁移動型の磁気メモリから成る情報記憶素子、及び、係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る情報記憶素子、また、上記の目的を達成するための本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る情報書込み・読出し方法における情報記憶素子は、
帯状の強磁性材料層（強磁性記録層）を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行である。
【０００８】
そして、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を、強磁性材料層に生じさせる。
【０００９】
また、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子にあっては、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加している。
【００１０】
更には、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法（以下、『本発明の第１の態様に係る情報書込み・読出し方法』と呼ぶ）にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層に単調に低下する温度分布を生じさせることで、強磁性材料層における磁壁の位置を制御する。
【００１１】
また、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法（以下、『本発明の第２の態様に係る情報書込み・読出し方法』と呼ぶ）にあっては、
情報記憶素子は、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加しており、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の温度を上昇させて強磁性材料層における磁壁の位置を制御する。
【００１２】
本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る情報書込み・読出し方法、あるいは、本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る情報記憶素子にあっては、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる。係る情報の書込み形態として、第３電極の構成、構造にも依るが、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance，巨大磁気抵抗）効果あるいはＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果に基づき、電流によるスピン注入磁化反転によって情報が書き込まれる形態を挙げることができる。あるいは又、電流によって形成された磁界に基づき情報が書き込まれる形態を挙げることができる。また、磁化状態が情報として読み出されるが、係る情報の読出し形態として、強磁性材料層における電気抵抗値の高低を検出する形態を挙げることができるし、あるいは又、強磁性材料層における磁界の方向を検出する形態を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１３】
一般に、磁化領域における磁化方向が強磁性材料層の厚さ方向に平行である場合、即ち、磁化領域が所謂垂直磁化されている場合、強磁性材料層の温度が上昇し、垂直磁気異方性が減少（低下）すると、磁壁は移動し易くなる。これとは逆に、強磁性材料層の温度が下降し、垂直磁気異方性が増加（上昇）すると、磁壁は移動し難くなる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を強磁性材料層に生じさせる。尚、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ未満のとき、磁壁は移動し難く、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。ここで、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、書き込まれた情報である上向きの磁化状態あるいは下向きの磁化状態は、第１電極から第２電極へと電流を流すことで生じるスピントルクに起因した電流誘起磁壁移動によって、強磁性材料層の一端に向かって移動する。そして、距離Ｌ1の地点を越えたとき、上向きの磁化状態あるいは下向きの磁化状態の移動（磁壁の移動）が停止し、係る距離Ｌ1の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。次いで、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を変化させた結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2（＜Ｌ1）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、距離Ｌ2の地点を越えたとき、情報としての磁化状態の移動（磁壁の移動）が停止し、係る距離Ｌ2の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）に確実に情報としての磁化状態を書き込み、固定することができる。
【００１５】
情報の読出し時、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。第２電極から第１電極へと電流を流すことで生じる電流誘起磁壁移動によって、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を変化させた結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1（＞Ｌ2）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。尚、情報の読出し時、記憶された情報は破壊されるので、情報の読出しが完了した後、情報を書き込んでおくか、他の情報記憶素子に情報を移しておく必要がある。また、情報書込み・読出し方法は、所謂シーケンシャル方式である。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の温度を上昇させる。ここで、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1の地点における強磁性材料層の垂直磁気異方性の値をＭＡ1とし、距離Ｌ2（＜Ｌ1）の地点における強磁性材料層の垂直磁気異方性の値をＭＡ2（＜ＭＡ1）とする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ1にあっては、強磁性材料層の温度がＴ1゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ2にあっては、強磁性材料層の温度がＴ2゜Ｃ（＜Ｔ1）以上のとき、磁壁は移動し易いとする。
【００１７】
情報の書込み時、強磁性材料層の温度をＴ1゜Ｃとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、情報としての磁化状態は、第１電極から第２電極へと電流を流すことで生じる電流誘起磁壁移動によって、強磁性材料層の一端に向かって移動する。そして、距離Ｌ1の地点を越えたとき、情報としての磁化状態の移動（磁壁の移動）が停止し、係る距離Ｌ1の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。次いで、強磁性材料層の温度を低下させてＴ2゜Ｃとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、情報としての磁化状態は、距離Ｌ2の地点を越えたとき、移動が停止し、係る距離Ｌ2の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）に確実に情報としての磁化状態を書き込み、固定することができる。
【００１８】
情報の読出し時、強磁性材料層の温度をＴ2とする。第２電極から第１電極へと電流を流すことで生じる電流誘起磁壁移動によって、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、強磁性材料層の温度をＴ1に上昇させる。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。尚、情報の読出し時、記憶された情報は破壊されるので、情報の読出しが完了した後、情報を書き込んでおくか、他の情報記憶素子に情報を移しておく必要がある。また、情報書込み・読出し方法は、所謂シーケンシャル方式である。
【００１９】
そして、以上の結果として、強磁性材料層内において磁壁が長い距離を移動したときでも、情報誤りを起こし易くなるといった問題の発生を確実に回避することができる。それ故、本発明によれば、安定して情報を保持しながら、確実に情報の書込み、記録、読出しを行うことができ、１つの連続した磁性体素子に多数の情報が記録可能となり、小型、軽量、且つ、安価な情報記憶装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の情報記憶素子、及び、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の第１の態様に係る情報記憶素子及び本発明の第１の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法：第１の構成）
３．実施例２（実施例１の変形例）
４．実施例３（実施例１の変形例：第２の構成）
５．実施例４（実施例１の変形例：第３の構成）
６．実施例５（本発明の第２の態様に係る情報記憶素子及び本発明の第２の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法）
【００２１】
本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法においては、
強磁性材料層の一部に接して設けられた第３電極を更に備えており、
第３電極は、強磁性材料層の一部に接した非磁性体膜、及び、その上に形成された磁化参照層（固着層、磁化固定層とも呼ばれる）から構成されており、
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる形態とすることができる。そして、この場合、第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域における電気抵抗値が情報として第３電極から読み出される構成とすることができる。尚、第２電極と第３電極とを、強磁性材料層を挟んで第２電極と第３電極とが対向した状態に配置してもよいし、第２電極と第３電極とを、強磁性材料層の同じ側に配置してもよいし、第２電極と第３電極とを、強磁性材料層の異なる側に配置してもよい。また、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布として、第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、温度上昇が大きい温度分布とすることができる。
【００２２】
あるいは又、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る情報書込み・読出し方法にあっては、強磁性材料層の一部に隣接して磁界検出手段が更に設けられており、各磁化領域において生成した磁場を情報として磁界検出手段によって読み出す形態とすることができる。磁界検出手段として、具体的には、磁界を検出するコイルあるいは配線を挙げることができる。各磁化領域において生成した磁場の方向を、情報として、磁界検出手段であるコイルや配線によって読み出せばよい。尚、情報の読出し方法として、その他、光磁気効果（カー効果）を用いる方法を採用してもよい。
【００２３】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、強磁性材料層の軸線方向と直交する仮想平面で強磁性材料層を切断したときの強磁性材料層の断面積が、強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第１の構成』と呼ぶ。あるいは又、強磁性材料層の比抵抗値が強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第２の構成』と呼ぶ。あるいは又、強磁性材料層の軸線方向に沿って強磁性材料層の温度を変化させる温度制御手段が、強磁性材料層近傍に配置されており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、温度制御手段によって強磁性材料層に温度分布を生じさせる構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第３の構成』と呼ぶ。
【００２４】
強磁性材料層の断面積の強磁性材料層の軸線方向に沿った変化（具体的には、強磁性材料層の他端から一端に向かって、漸次、連続的に若しくは階段状に断面積が増加する変化）は、強磁性材料層の幅の設定、あるいは又、強磁性材料層の厚さの設定、あるいは又、強磁性材料層の幅及び厚さの設定によって得ることができる。強磁性材料層の軸線方向に沿った断面積の変化量は、情報記憶素子に要求される仕様に応じて、適宜、決定すればよい。また、比抵抗値は、例えば、強磁性材料層の所望の部分あるいは領域に窒素イオンや酸素イオンを注入することで変化させることができる。強磁性材料層の軸線方向に沿った比抵抗値の変化（具体的には、強磁性材料層の他端から一端に向かって、漸次、連続的に若しくは階段状に比抵抗値が減少する変化）は、情報記憶素子に要求される仕様に応じて、適宜、決定すればよい。
【００２５】
温度制御手段として、強磁性材料層を加熱するためのヒータを挙げることができ、係るヒータを強磁性材料層の近傍に配置すればよい。ヒータは、例えば、パターニングされた高抵抗体層から構成することができる。高抵抗体層を構成する材料として、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やＳｉＣＮといったカーボン系抵抗体材料、ＳｉＮ系材料、アモルファスシリコン等の半導体抵抗体材料、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化タンタル、窒化タンタル、酸化クロム、酸化チタン等の高融点金属酸化物や高融点金属窒化物を例示することができる。また、温度制御手段として、強磁性材料層を加熱するためのレーザを挙げることもできる。あるいは又、強磁性材料層の周囲の熱伝導を変化させてもよい。即ち、強磁性材料層を取り囲む領域の熱伝導率を変化させてもよい。具体的には、例えば、一種のヒートシンクを設ければよく、このような形態にあっては、係るヒートシンクが温度制御手段に相当する。
【００２６】
一方、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法における上記の好ましい形態にあっては、第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、垂直磁気異方性が小さい構成とすることができる。
【００２７】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層に温度分布を生じさせる形態とすることができ、この場合、第１電極と第２電極との間に流す電流の値を、階段状に、若しくは、連続的に変化させる構成とすることができる。
【００２８】
一方、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっても、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層の温度を上昇させる形態とすることができる。
【００２９】
本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法において、記憶する情報のビット数をＮとしたとき、異なる温度分布をＮ回、生じさせればよい。また、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法において、記憶する情報のビット数をＮとしたとき、異なる温度上昇をＮ回、生じさせればよい。温度分布や温度上昇は、情報記憶素子に要求される仕様に応じて、適宜、決定すればよい。
【００３０】
強磁性材料層の平面形状は帯状（ストライプ状）であればよく、直線状であってもよいし、曲がっていてもよいし、「Ｕ」字状等の立体形状とすることもできるし、「Ｙ」字状等に分岐した形状とすることもできる。
【００３１】
強磁性材料層（強磁性記録層）を構成する材料として、磁壁を少ない電流で動かすためにスピントルク効率のよい材料が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ等）にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された合金を挙げることができる。更には、垂直磁気異方性を一層増加させるために、係る合金にテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）等の重希土類を添加してもよいし、これらを含む合金を積層してもよい。強磁性材料層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。また、強磁性材料層は、単層構成とすることもできるし、上述したとおり複数の異なる強磁性材料層を積層した積層構成とすることもできるし、強磁性材料層と非磁性材料層を積層した積層構成とすることもできる。
【００３２】
強磁性材料層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表される化学的気相成長法（ＣＶＤ法）にて形成することができる。強磁性材料層のパターニングは、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）やイオンミーリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。
【００３３】
本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法において、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性を単調に増加させるための方法として、強磁性材料層にイオン注入等を施すことで組成分布を形成する方法や、レーザ等を用いた局所加熱法によって強磁性材料層の結晶性に分布を形成する方法を挙げることができる。
【００３４】
第１電極や第２電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ等の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよい。更には、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ等の単層あるいはＣｕ、Ｃｒ、Ｔｉ等との積層構造から構成することもできる。これらの電極は、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。
【００３５】
第３電極と強磁性材料層とによって、ＴＭＲ効果あるいはＧＭＲ効果を有する一種の情報記録構造体が構成される。ここで、磁化参照層、非磁性体膜及び強磁性材料層によって構成されるＴＭＲ効果を有する情報記録構造体とは、磁化参照層と強磁性材料層との間に、トンネル絶縁膜として機能する非磁性体膜が挟まれた構造を指す。ここで、第３電極を構成する磁化参照層を構成する材料として、上述した強磁性材料層を構成する材料を挙げることができるし、積層フェリ構造［反強磁性的結合を有する積層構造であり、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）とも呼ばれる］を有する構成とすることができるし、静磁結合構造を有する構成とすることができる。積層フェリ構造とは、例えば、磁性材料層／ルテニウム（Ｒｕ）層／磁性材料層の３層構造（具体的には、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの３層構造、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの３層構造）を有し、ルテニウム層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指し、例えば、 S. S. Parkin et. al, Physical Review Letters, 7 May, pp 2304-2307 (1990) に報告されている。尚、２つの磁性材料層の層間交換結合が反強磁性的になる構造を、積層フェリ構造と呼ぶ。また、２つの磁性材料層において、磁性材料層の端面からの漏洩磁界によって反強磁性的結合が得られる構造を、静磁結合構造と呼ぶ。第３電極を構成する非磁性体膜を構成する材料として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ＴｉＯ2あるいはＣｒ2Ｏ3、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯX、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＢＮ、ＺｎＳ等の絶縁材料を挙げることができる。一方、ＧＭＲ効果を有する情報記録構造体を構成する非磁性体膜を構成する材料として、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔａ等、あるいは、これらの合金といった導電性材料を挙げることができるし、導電性が高ければ（抵抗率が数百μΩ・ｃｍ以下）、任意の非金属材料としてもよいが、強磁性材料層や磁化参照層と界面反応を起こし難い材料を、適宜、選択することが望ましい。
【００３６】
絶縁材料から成る非磁性体膜は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、非磁性体膜を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムやマグネシウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）やマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。
【実施例１】
【００３７】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子、及び、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法に関し、具体的には、第１の構成に関する。
【００３８】
模式的な部分的平面図を図１の（Ａ）に示し、図１の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂに沿った模式的な一部断面図を図１の（Ｂ）に示すように、実施例１の情報記憶素子１００は、帯状の強磁性材料層（強磁性記録層）１１１を備えている。また、強磁性材料層１１１の一端には第１電極１２１が設けられており、強磁性材料層１１１の他端には第２電極１２２が設けられている。そして、実施例１の情報記憶素子１００にあっては、第１電極１２１と第２電極１２２との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じる。ここで、第１電極１２１と第２電極１２２との間に流す電流を、『磁壁駆動電流』と呼ぶ。強磁性材料層１１１において、磁化領域１１２に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出される。更には、各磁化領域１１２における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行である。参照番号１１３は、磁化領域１１２と磁化領域１１２の境界（界面）である磁壁を示す。図１の（Ａ）にあっては、層間絶縁層１１４の図示を省略している。また、参照番号１２４は、層間絶縁層１１４上に形成され、第３電極１２３に接続された配線を指す。図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示した情報記憶素子１００にあっては、強磁性材料層１１１の下に第１電極１２１、第２電極１２２を設け、強磁性材料層１１１の上に第３電極１２３を設けたが、これとは逆に、強磁性材料層１１１の上に第１電極１２１、第２電極１２２を設け、強磁性材料層１１１の下に第３電極１２３を設けてもよい。
【００３９】
実施例１の情報記憶素子１００は、強磁性材料層１１１の一部に接して設けられた第３電極１２３を更に備えている。第３電極１２３は、強磁性材料層１１１を挟んで、第２電極１２２と対向して配置されている。ここで、第３電極１２３は、強磁性材料層１１１の一部に接した非磁性体膜１２３Ａ、及び、その上に形成された磁化参照層１２３Ｂから構成されている。磁化参照層１２３Ｂは、磁化領域１１２に記録する磁化の方向を決めるための基準磁化層として機能する。そして、第２電極１２１と第３電極１２３との間に電流を流すことで、各磁化領域１１２に磁化状態が情報として書き込まれる。また、第２電極１２１と第３電極１２３との間に電流を流すことで、各磁化領域１１２における電気抵抗値（電気抵抗値の高低）が情報として第３電極１２３から読み出される。第３電極１２３と強磁性材料層１１１とによって、ＴＭＲ効果を有する一種の情報記録構造体が構成され、電流によるスピン注入磁化反転によって磁化領域１１２が形成され、磁壁１１３が生じ、強磁性材料層１１１に情報が書き込まれる。即ち、強磁性材料層１１１においては、電流の流れる方向により、その磁化の方向が、磁化参照層１２３Ｂに対して平行又は反平行に変えられる。
【００４０】
そして、実施例１にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層１１１の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を、強磁性材料層１１１に生じさせる。そして、これによって、強磁性材料層１１１における磁壁１１３の位置を制御する。具体的には、強磁性材料層１１１の軸線方向と直交する仮想平面で強磁性材料層１１１を切断したときの強磁性材料層１１１の断面積が、強磁性材料層１１１の軸線方向に沿って変化している。より具体的には、強磁性材料層１１１の他端から一端に向かって、漸次、連続的に断面積が増加する変化する。即ち、強磁性材料層１１１の断面積は、第１電極１２１に近づくほど、大きな値となる。そして、これによって、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極１２１と第２電極１２２との間に電流を流すことで、強磁性材料層１１１に温度分布を生じさせることができる。具体的には、第１電極１２１に近づくほど、強磁性材料層１１１の温度が低い状態を形成することができる。
【００４１】
実施例１において、帯状の強磁性材料層１１１は、Ｔａから成る下地層（厚さ：２ｎｍ）、ＴｂＣｏ合金層（厚さ：２ｎｍ）、ＧｄＦｅＣｏ合金層（厚さ：８ｎｍ）及びＣｏＦｅＣｒＢ合金層（厚さ：２ｎｍ）の積層構造から成る。強磁性材料層１１１の幅は、第２電極１２２から第１電極１２１に向かって０．１０μｍから０．１５μｍへと、漸次、変化する。尚、第１電極１２１と第２電極１２２との間の距離は１．３μｍである。また、第１電極１２１と第２電極１２２の間の強磁性材料層１１１の電気抵抗値は８２０Ωである。図５に、ＣｏＦｅＣｒＢ合金層とＧｄＦｅＣｏ合金層の積層構造体における垂直磁気異方性の温度変化を示す。垂直磁気異方性は１５０゜Ｃまで低下し、それ以上の温度ではほぼ一定となる。第３電極１２３を構成する非磁性体膜１２３Ａは、厚さ０．８ｎｍのＭｇＯから成り、磁化参照層１２３Ｂは、ＣｏＦｅＢ合金層（厚さ：１ｎｍ）とＴｂＣｏ合金層（厚さ：２０ｎｍ）の積層膜から成る。第１電極１２１及び第２電極１２２はチタン層から構成されており、例えば、第１電極１２１は駆動電源（図示せず）に接続され、第２電極１２２は接地されている。尚、第３電極１２３と強磁性材料層１１１とによって、ＧＭＲ効果を有する一種の情報記録構造体を構成してもよく、この場合には、非磁性体膜１２３Ａを、例えば、Ｃｕから構成すればよい。
【００４２】
以下、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を、情報記憶素子１００の概念図である図２の（Ａ）〜（Ｅ）、図３の（Ａ）〜（Ｅ）、図４の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して説明する。実施例１の情報書込み・読出し方法は、所謂シーケンシャル方式である。
【００４３】
図２〜図４、後述する図１１〜図１３において、強磁性材料層１１１内部に描いた矢印は、磁化の方向を示し、便宜上、上向きの矢印を情報「０」とし、下向きの矢印を情報「１」とする。また、第３電極１２３に描いた矢印は、磁化参照層１２３Ｂにおける磁化の方向を示す。そして、第３電極１２３から第２電極１２２に電流を流すことで、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。一方、第２電極１２２から第３電極１２３に電流を流すことで、情報「１」（下向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。尚、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ未満のとき、磁壁は移動し難く、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。
【００４４】
先ず、図２の（Ａ）に示す状態において、第１ビットとして、強磁性材料層１１１に情報「０」を書き込むことを想定する。尚、図２の（Ａ）あるいは後述する図１１の（Ａ）にあっては、強磁性材料層１１１，５１１に以前の情報が残されている場合があるが、係る情報の図示は省略している。また、強磁性材料層１１１，５１１の磁化の方向の初期化は、外部から磁場を強磁性材料層１１１，５１１に加えることで行うことができる。
【００４５】
そして、この場合、図２の（Ｂ）に示すように、第３電極１２３に電圧＋ＶWを印加して、第３電極１２３から第２電極１２２へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。
【００４６】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図２の（Ｃ）に示すように、第１電極１２１に電圧＋Ｖm1を印加し、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、強磁性材料層１１１の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層１１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる（図２の（Ｄ）参照）。尚、第２電極１２２から距離Ｌ1における強磁性材料層１１１の部分がＴ0となるような温度分布を生じさせる。しかも、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流すことによって、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ1の地点を越えると、磁壁の移動は停止する。その後、第１電極１２１、第３電極１２３への電圧の印加を中断する（図２の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極１２２から距離Ｌ1を越えた強磁性材料層１１１の領域に情報「０」が書き込まれる。
【００４７】
次に、強磁性材料層１１１に情報「１」を書き込むことを想定する。この場合、図３の（Ａ）に示すように、第３電極１２３に電圧−ＶWを印加して、第２電極１２２から第３電極１２３へと電流を流す。これによって、情報「１」（下向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。
【００４８】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図３の（Ｂ）に示すように、第１電極１２１に電圧＋Ｖm2（＜＋Ｖm1）を印加し、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層１１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。但し、第２電極１２２から距離Ｌ2（＜Ｌ1）における強磁性材料層１１１の部分がＴ0となるような温度分布を生じさせる（図３の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図３の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ2の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図３の（Ｄ）参照）。その後、第１電極１２１、第３電極１２３への電圧の印加を中断する（図３の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極１２２から距離Ｌ2を越えた強磁性材料層１１１の領域に情報「１」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層１１１には、２つの情報（０，１）が書き込まれている。
【００４９】
次に、強磁性材料層１１１に情報「０」を書き込むことを想定する。この場合、図４の（Ａ）に示すように、第３電極１２３に電圧＋ＶWを印加して、第２電極１２２から第３電極１２３へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。
【００５０】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図４の（Ｂ）に示すように、第１電極１２１に電圧＋Ｖm3（＜＋Ｖm2）を印加し、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層１１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。但し、第２電極１２２から距離Ｌ3（＜Ｌ2）における強磁性材料層１１１の部分がＴ0となるような温度分布を生じさせる（図４の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図４の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ3の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図４の（Ｄ）参照）。その後、第１電極１２１、第３電極１２３への電圧の印加を中断する（図４の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極１２２から距離Ｌ3を越えた強磁性材料層１１１の領域に情報「０」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層１１１には、３つの情報（０，１，０）が書き込まれている。
【００５１】
尚、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流すことで磁壁１１３を移動させながら、磁壁駆動電流の値を制御することで、強磁性材料層１１１に情報を、順次、書き込んでもよい。
【００５２】
そして、このような操作を、逐次、合計Ｎ回、繰り返すことで、Ｎビットの情報を書き込むことができる。
【００５３】
強磁性材料層１１１に書き込まれた情報を読み出す場合には、第２電極１２２から第１電極１２１へと磁壁駆動電流を流す。これによってジュール熱が生成し、強磁性材料層１１１に温度分布が生じる。尚、強磁性材料層の他端から距離Ｌ3の地点における強磁性材料層の温度がＴ0となるように磁壁駆動電流を流す。併せて、磁壁１１３が強磁性材料層１１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ3を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。そして、第３電極１２３から第２電極１２２に電流を流し、磁化領域１１２の電気抵抗値の高低を調べることで、書き込まれた情報が「０」であるか「１」であるかを判別することができる。ここで、強磁性材料層１１１と磁化参照層１２３Ｂの磁化方向が等しい場合、低抵抗となり、強磁性材料層１１１と磁化参照層１２３Ｂの磁化方向が反平行の場合、高抵抗となる。こうして、強磁性材料層の他端から距離Ｌ3を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、第２電極１２２から第１電極１２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2（＞Ｌ3）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。更に、第２電極１２２から第１電極１２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1（＞Ｌ2）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。
【００５４】
実施例１の情報記憶素子の第１電極１２１に、図６に示す電圧＋Ｖmを印加した。尚、電圧＋Ｖmを、３．０ボルトから１．０ボルトまで、時間の経過と共に減少させた。また、第３電極１２３に、図６に示す電圧＋ＶW（＝１．０ボルト）及び−ＶW（＝−１．０ボルト）を交互に印加した。こうして、情報記憶素子の強磁性材料層１１１に情報を書き込んだ。次いで、情報記憶素子の強磁性材料層１１１に書き込まれた情報を読み出した。具体的には、第１電極１２１に電圧−Ｖmを印加した。尚、電圧−Ｖmを、−１．０ボルトから−３．０ボルトまで、時間の経過と共に変化させた。そして、第３電極１２３に０．１ミリアンペアの一定電流を流したときの第３電極１２３からの電圧出力変化を再生信号電圧として測定した。その結果を図７に示す。尚、情報読出し時の再生信号電圧を第１電極１２３に印加した電圧の絶対値に対して示し、情報書込み時に第３電極１２３に印加した電圧を合わせて示す。第１電極１２３に１．５ボルト乃至２．２ボルトを印加したとき、情報の書込み、読出しが行われていることが確認できた。従って、第１電極１２３に印加する電圧や強磁性材料層１１１の大きさ等を最適化することで、より多くの情報を強磁性材料層に記憶させることが可能であり、高密度記録を実現できることが判る。
【００５５】
以下、基板等の模式的な一部断面図である図８の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、実施例１の情報記憶素子１００の製造方法の概要を説明する。
【００５６】
［工程−１００］
先ず、シリコン半導体基板から成る基板１１０に第１電極１２１及び第２電極１２２を形成する。第１電極１２１及び第２電極１２２を基板１１０上に形成してもよいが、磁壁１１３の移動を妨げないように、基板１１０と第１電極１２１、第２電極１２２との段差は少ない方がよく、そのためには、基板１１０に埋め込まれた第１電極１２１、第２電極１２２を形成することが望ましい。具体的には、基板１１０にリソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき溝部を形成する。そして、全面に、スパッタリング法に基づきＴｉ層を形成する。次いで、基板１１０の表面のＴｉ層を例えばＣＭＰ法で除去することで、第１電極１２１及び第２電極１２２を溝部内に残す。こうして、図８の（Ａ）に示すように、基板１１０に第１電極１２１及び第２電極１２２を形成することができる。第１電極１２１は、基板１１０に設けられた配線（図示せず）を介して駆動電源（図示せず）に接続されている。また、第２電極１２２は、基板１１０に設けられた配線（図示せず）を介して接地されている。
【００５７】
［工程−１１０］
次いで、全面に、スパッタリング法に基づき強磁性材料層を形成した後、強磁性材料層をパターニングすることで、帯状の強磁性材料層１１１を得る（図８の（Ｂ）参照）。強磁性材料層１１１のパターニングは、イオンミーリング法や反応性エッチング法等に基づき行うことができるし、リフトオフ法を採用してもよい。
【００５８】
［工程−１２０］
その後、第３電極１２３を形成する。具体的には、全面に、スパッタリング法及び酸化法に基づき非磁性体膜１２３Ａを形成し、更に、スパッタリング法に基づき磁化参照層１２３Ｂを形成した後、イオンミーリング法や反応性エッチング法等に基づき非磁性体膜１２３Ａ及び磁化参照層１２３Ｂのパターニングを行う（図８の（Ｃ）参照）。
【００５９】
［工程−１３０］
次いで、全面に絶縁材料から成る層間絶縁層１１４を、例えば、ＣＶＤ法に基づき形成する。その後、第３電極１２３の上方の層間絶縁層１１４の部分に開口部を形成し、開口部内を含む層間絶縁層１１４上に配線１２４を形成する。こうして、図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示した実施例１の情報記憶素子１００を完成させることができる。尚、層間絶縁層を構成する材料として、ＳｉＯ2、ＮＳＧ（ノンドープ・シリケート・ガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素・リン・シリケート・ガラス）、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、ＳｂＳＧ、ＳＯＧ（スピンオングラス）等のＳｉＯX系材料（シリコン系酸化膜を構成する材料）、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＦ、ＳｉＣＮ、低誘電率絶縁材料（例えば、フルオロカーボン、シクロパーフルオロカーボンポリマー、ベンゾシクロブテン、環状フッ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、アモルファス・テトラフルオロエチレン、フッ化アリールエーテル、フッ化ポリイミド、アモルファスカーボン、有機ＳＯＧ、パリレン、フッ化フラーレン）、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、Ｓｉｌｋ（The Dow Chemical Co. の商標であり、塗布型低誘電率層間絶縁膜材料）、Ｆｌａｒｅ（Honeywell Electronic Materials Co. の商標であり、ポリアリルエーテル（ＰＡＥ)系材料）を例示することができる。
【００６０】
実施例１の情報記憶素子１００にあっては、強磁性材料層１１１内において磁壁１１３が長い距離を移動したときでも、情報誤りを起こし易くなるといった問題の発生を確実に回避することができる。それ故、安定して情報を保持しながら、確実に情報の書込み、記録、読出しを行うことができ、１つの連続した磁性体素子に多数の情報が記録可能となり、小型、軽量、且つ、安価な情報記憶装置を実現することができる。
【実施例２】
【００６１】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の情報記憶素子２００の模式的な部分的平面図を図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図９の（Ａ）に示した情報記憶素子２００にあっては、３つの情報記憶素子２００の第２電極２２２が共通化されている。一方、図９の（Ｂ）に示した情報記憶素子２００にあっては、３つの情報記憶素子２００の第１電極２２１が共通化されている。これらの点を除き、実施例２の情報記憶素子２００の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。ここで、実施例２の情報記憶素子２００、あるいは、後述する各実施例の情報記憶素子を構成する構成要素の参照番号における下２桁の数字と、実施例１の情報記憶素子１００を構成する構成要素の参照番号における下２桁の数字が同じである構成要素は、同じ構成要素である。
【実施例３】
【００６２】
実施例３も、実施例１の変形であるが、第２の構成に関する。即ち、実施例３の情報記憶素子にあっては、強磁性材料層（強磁性記録層）の比抵抗値が強磁性材料層の軸線方向に沿って変化している。具体的には、強磁性材料層の比抵抗値は、強磁性材料層の他端から一端に向かって、漸次、階段状に減少している。そして、その結果、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせることができる。尚、比抵抗値は、例えば、強磁性材料層の所望の部分あるいは領域に窒素イオンや酸素イオンを注入することで変化させればよい。この点を除き、実施例３の情報記憶素子の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００６３】
実施例３にあっても、第１電極から第２電極へと磁壁駆動電流を流すと、あるいは又、第２電極から第１電極へと磁壁駆動電流を流すと、強磁性材料層の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。実施例３の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法は、実質的に、実施例１の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００６４】
尚、実施例３において、実施例１において説明したと同様に、強磁性材料層の断面積を変化させてもよい。また、実施例２において説明した情報記憶素子の構成を実施例３の情報記憶素子に適用することもできる。
【実施例４】
【００６５】
実施例４も、実施例１の変形であるが、第３の構成に関する。即ち、実施例４の情報記憶素子４００にあっては、模式的な一部断面図を図１０に示すが、強磁性材料層４１１の軸線方向に沿って強磁性材料層４１１の温度を変化させる温度制御手段４４０が、強磁性材料層４１１の近傍に配置されている。このように、温度制御手段４４０を設けることで、情報の書込み若しくは情報の読出し時、温度制御手段４４０によって強磁性材料層（強磁性記録層）４１１に温度分布を生じさせる。
【００６６】
図１０に模式的な一部断面図を示すように、実施例４において、温度制御手段４４０は、強磁性材料層４１１を取り囲む領域の熱伝導率を変化させるための、一種のヒートシンクから成る。具体的には、強磁性材料層４１１の上に層間絶縁層４１４が設けられている。そして、強磁性材料層４１１の一部の上方の層間絶縁層４１４の部分には凹部が設けられており、凹部を含む層間絶縁層４１４の上には、強磁性材料層４１１と平行に、帯状に銅（Ｃｕ）層から成る温度制御手段４４０が形成されている。強磁性材料層４１１から温度制御手段４４０の底面までの距離は、強磁性材料層４１１の他端から一端に向かって、漸次、連続的に短くなっている。尚、漸次、階段状に短くなっていてもよい。このように、強磁性材料層４１１の軸線方向に沿って強磁性材料層４１１の温度を変化させるが、温度の異なる強磁性材料層４１１の領域は、強磁性材料層４１１に記憶すべき情報の数（ビット数）の群に分けられている。この点を除き、実施例４の情報記憶素子の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。温度制御手段４４０として、一種のヒートシンクを設ける代わりに、ヒータを設けてもよいし、レーザを用いて強磁性材料層４１１を加熱してもよい。
【００６７】
実施例４にあっても、第１電極４２１から第２電極４２２へと磁壁駆動電流を流すと、あるいは又、第２電極４２２から第１電極４２１へと磁壁駆動電流を流すと、強磁性材料層４１１の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層４１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。実施例４の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法は、実質的に、実施例１の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００６８】
尚、実施例４においても、実施例１において説明したと同様に、強磁性材料層の断面積を変化させてもよい。また、実施例２において説明した情報記憶素子の構成を実施例４の情報記憶素子に適用することもできる。更には、実施例３において説明した情報記憶素子の構成を実施例４の情報記憶素子に適用することもできるし、実施例１及び実施例３において説明した情報記憶素子の構成を組み合わせて実施例４の情報記憶素子に適用することもできる。
【実施例５】
【００６９】
実施例５は、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子、及び、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法に関する。
【００７０】
実施例５の情報記憶素子５００にあっては、強磁性材料層（強磁性記録層）５１１の他端から一端に亙り、強磁性材料層５１１における垂直磁気異方性が単調に増加している。そして、第３電極５２３に近い強磁性材料層５１１の領域ほど、垂直磁気異方性が小さい。また、実施例５の情報書込み・読出し方法にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層５１１の温度を上昇させて強磁性材料層５１１における磁壁の位置を制御する。実施例５にあっては、第１電極５２１と第２電極５２２との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度を上昇させる。そして、実施例５にあっては、第１電極５２１と第２電極５２２との間に流す電流の値を階段状に変化させる。
【００７１】
ここで、強磁性材料層５１１の他端から一端に亙り、強磁性材料層５１１における垂直磁気異方性を単調に増加させるためには、強磁性材料層５１１に、例えば、垂直磁気異方性を増加させるＴｂイオン、垂直磁気異方性を減少させる酸素イオン、窒素イオンといった各種のイオンをイオン注入することで組成分布を形成すればよい。イオンの組成を傾斜的に注入する方法として、情報記憶素子の片端にフォトレジスト等で遮蔽壁のようなパターンを作製し、このパターンを遮蔽物として斜め方向からイオンを注入する方法を例示することができ、これによって、組成分布を形成可能である。あるいは又、レーザ等を用いた局所加熱法によって強磁性材料層５１１の結晶性に分布を形成してもよい。強磁性材料層５１１は、ＴｂＧｄＦｅＣｏに上記方法により酸素イオンを斜め方向から注入し酸素組成を分布させ、垂直磁気異方性を傾斜させた材料から成る。
【００７２】
以上の点を除き、実施例５の情報記憶素子５００の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と実質的に同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００７３】
以下、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を、情報記憶素子５００の概念図である図１１の（Ａ）〜（Ｅ）、図１２の（Ａ）〜（Ｅ）、図１３の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して説明する。実施例５の情報書込み・読出し方法も、所謂シーケンシャル方式である。
【００７４】
尚、強磁性材料層５１１の他端から距離Ｌ1の地点における強磁性材料層５１１の垂直磁気異方性の値をＭＡ1とし、距離Ｌ2（＜Ｌ1）の地点における強磁性材料層５１１の垂直磁気異方性の値をＭＡ2（＜ＭＡ1）とし、距離Ｌ3（＜Ｌ2）の地点における強磁性材料層５１１の垂直磁気異方性の値をＭＡ3（＜ＭＡ2）とする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ1にあっては、強磁性材料層５１１の温度がＴ1゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ2にあっては、強磁性材料層５１１の温度がＴ2゜Ｃ（＜Ｔ1）以上のとき、磁壁は移動し易いとする。更には、垂直磁気異方性の値ＭＡ3にあっては、強磁性材料層５１１の温度がＴ3゜Ｃ（＜Ｔ2）以上のとき、磁壁は移動し易いとする。
【００７５】
先ず、図１１の（Ａ）に示す状態において、第１ビットとして、強磁性材料層５１１に情報「０」を書き込むことを想定する。この場合、図１１の（Ｂ）に示すように、第３電極５２３に電圧＋ＶWを印加して、第３電極５２３から第２電極５２２へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極５２３に対向する強磁性材料層５１１の部分に書き込まれる。
【００７６】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図１１の（Ｃ）に示すように、第１電極５２１に電圧＋Ｖm1を印加し、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、強磁性材料層５１１の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度がＴ1に上昇する（図１１の（Ｄ）参照）。しかも、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流すことによって、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ1の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図１１の（Ｃ）参照）。その後、第１電極５２１、第３電極５２３への電圧の印加を中断する（図１１の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極５２２から距離Ｌ1を越えた強磁性材料層５１１の領域に情報「０」が書き込まれる。
【００７７】
次に、強磁性材料層５１１に情報「１」を書き込むことを想定する。この場合、図１２の（Ａ）に示すように、第３電極５２３に電圧−ＶWを印加して、第２電極５２２から第３電極５２３へと電流を流す。これによって、情報「１」（下向きの矢印）が、第３電極５２３に対向する強磁性材料層５１１の部分に書き込まれる。
【００７８】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図１２の（Ｂ）に示すように、第１電極５２１に電圧＋Ｖm2（＜＋Ｖm1）を印加し、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度がＴ2となる（図１２の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図１２の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ2の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図１２の（Ｄ）参照）。その後、第１電極５２１、第３電極５２３への電圧の印加を中断する（図１２の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極５２２から距離Ｌ2を越えた強磁性材料層５１１の領域に情報「１」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層５１１には、２つの情報（０，１）が書き込まれている。
【００７９】
次に、強磁性材料層５１１に情報「０」を書き込むことを想定する。この場合、図１３の（Ａ）に示すように、第３電極５２３に電圧＋ＶWを印加して、第２電極５２２から第３電極５２３へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極５２３に対向する強磁性材料層５１１の部分に書き込まれる。
【００８０】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図１３の（Ｂ）に示すように、第１電極５２１に電圧＋Ｖm3（＜＋Ｖm2）を印加し、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度がＴ3となる（図１３の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図１３の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ3の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図１３の（Ｄ）参照）。その後、第１電極５２１、第３電極５２３への電圧の印加を中断する（図１３の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極５２２から距離Ｌ3を越えた強磁性材料層５１１の領域に情報「０」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層５１１には、３つの情報（０，１，０）が書き込まれている。
【００８１】
尚、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流すことで磁壁５１３を移動させながら、磁壁駆動電流の値を制御することで、強磁性材料層５１１に情報を、順次、書き込んでもよい。
【００８２】
そして、このような操作を、逐次、合計Ｎ回、繰り返すことで、Ｎビットの情報を書き込むことができる。
【００８３】
強磁性材料層５１１に書き込まれた情報を読み出す場合には、第２電極５２２から第１電極５２１へと磁壁駆動電流を流す。これによってジュール熱が生成し、強磁性材料層５１１の温度がＴ3へと上昇する。併せて、磁壁５１３が強磁性材料層５１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ3を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。そして、第３電極５２３から第２電極５２２に電流を流し、磁化領域５１２の電気抵抗値の高低を調べることで、書き込まれた情報が「０」であるか「１」であるかを判別することができる。ここで、強磁性材料層５１１と磁化参照層５２３Ｂの磁化方向が等しい場合、低抵抗となり、強磁性材料層５１１と磁化参照層５２３Ｂの磁化方向が反平行の場合、高抵抗となる。こうして、強磁性材料層５１１の他端から距離Ｌ3を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、第２電極５２２から第１電極５２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層５１１の温度がＴ2になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層５１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層５１１における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。更に、第２電極５２２から第１電極５２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層５１１の温度がＴ1になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層５１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層５１１における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。
【００８４】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが，本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した情報記憶素子の構成や構造、構成材料、製造方法等は例示であり、適宜、変更することができる。強磁性材料層（強磁性記録層）からの情報の読出しとして、代替的に、強磁性材料層における磁界の方向を検出することで情報が読み出される形態とすることもできる。ここで、この場合には、例えば、磁界検出手段として、具体的には、コイルや配線を挙げることができる。
【００８５】
実施例１の情報記憶素子の変形例を図１４に模式的な一部断面図を示すように、情報記憶素子６００における帯状の強磁性材料層（強磁性記録層）６１１を、例えば、「Ｕ」字状の立体形状とすることもできる。係る情報記憶素子６００は、例えば、以下の方法で製造することができる。即ち、シリコン半導体基板から成る基板６１０に、磁化参照層６２３Ｂ及び非磁性体膜６２３Ａの積層構造を有する第３電極６２３を形成した後、基板６１０上に、層間絶縁層６１５を形成する。次いで、第３電極６２３の上方の層間絶縁層６１５に開口部を形成し、係る開口部内に強磁性材料層６１１を形成し、強磁性材料層６１１を絶縁膜６１６で被覆する。その後、開口部の底部に位置する絶縁膜６１６の部分、層間絶縁層６１５の頂面上の絶縁膜６１６の一部分を除去する。そして、開口部内を第２電極６２２で埋め込み、更には、層間絶縁層６１５の頂面上に露出した強磁性材料層６１１上に第１電極６２１を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の情報記憶素子の模式的な部分的平面図及び模式的な一部断面図である。
【図２】図２の（Ａ）〜（Ｅ）は、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図３】図３の（Ａ）〜（Ｅ）は、図２の（Ｅ）に引き続き、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図４】図４の（Ａ）〜（Ｅ）は、図３の（Ｅ）に引き続き、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図５】図５は、ＣｏＦｅＣｒＢ合金層とＧｄＦｅＣｏ合金層の積層構造体における垂直磁気異方性の温度変化を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例１の情報記憶素子の第１電極及び第３電極に印加する電圧のパターンを示すグラフである。
【図７】図７は、実施例１の情報記憶素子の第３電極からの電圧出力変化を再生信号電圧として測定した結果を示すグラフである。
【図８】図８の（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の情報記憶素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２の情報記憶素子の模式的な部分的平面図である。
【図１０】図１０は、実施例４の情報記憶素子の模式的な一部断面図である。
【図１１】図１１の（Ａ）〜（Ｅ）は、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図１２】図１２の（Ａ）〜（Ｅ）は、図１１の（Ｅ）に引き続き、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図１３】図１３の（Ａ）〜（Ｅ）は、図１２の（Ｅ）に引き続き、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図１４】図１４は、実施例１の情報記憶素子の変形例の模式的な一部断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１００，２００，４００，５００，６００・・・情報記憶素子、１１０，２１０，６１０・・・基板、１１１，２１１，４１１，５１１，６１１・・・強磁性材料層（強磁性記録層）、１１２，５１２・・・磁化領域、１１３，５１３・・・磁壁、１１４，４１４，６１５・・・層間絶縁層、１２１，２２１，４２１，５２１，６２１・・・第１電極、１２２，２２２，４２２，５２２，６２２・・・第２電極、１２３，２２３，４２３，５２３，６２３・・・第３電極、１２３Ａ，２２３Ａ，４２３Ａ，５２３Ａ，６２３Ａ・・・非磁性体膜、１２３Ｂ，２２３Ｂ，４２３Ｂ，５２３Ｂ，６２３Ｂ・・・磁化参照層、１２４・・・配線、４４０・・・温度制御手段、６１６・・・絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報記憶素子、及び、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
コンピュータ等の情報機器においては、現在、外部記憶装置として、ハードディスクドライブが広く用いられている。しかしながら、ハードディスクドライブは回転機構を伴うため、小型化や省電力化が難しい。そこで、小型機器用の外部記憶装置として、フラッシュメモリを用いたシリコンディスクドライブ（ＳＳＤ）が用いられ始めているが、価格が高く、記憶容量も十分ではない。それ故、大記憶容量で、不揮発性、且つ、高速の情報書込み・読出しが可能な記憶装置が強く望まれている。
【０００３】
このような記憶装置の１形態として、情報を磁性体の磁化状態として記録する磁気メモリの発展型である電流誘起磁壁移動型の磁気メモリが考案されている（例えば、特開２００５−１２３６１７や特開２００６−２３７１８３参照）。この電流誘起磁壁移動型の磁気メモリにあっては、帯状の強磁性材料層を複数の磁化領域（磁区）に分割して、強磁性材料層に電流を流すことで、磁化領域の境界である磁壁を移動させながら、強磁性材料層の磁化領域に情報を書き込み、また、情報の読み出しを行う。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１２３６１７
【特許文献２】特開２００６−２３７１８３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このような電流誘起磁壁移動型の磁気メモリには、情報の保持、安定した磁壁の移動に未だ問題がある。磁壁を移動させ易くするためには、強磁性材料層の厚さを薄くしたり、強磁性材料層に軟磁性材料を用いることが考えられるが、このような解決手段は、情報を安定に保持することと反する。また、強磁性材料層内において磁壁が長い距離を移動したとき、磁壁間の距離が変化して情報誤りを起こし易くなる虞がある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、安定した磁壁の移動を可能とし、確実に情報の書き込み、保持、読み出しを行い得る磁壁移動型の磁気メモリから成る情報記憶素子、及び、係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するための本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る情報記憶素子、また、上記の目的を達成するための本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る情報書込み・読出し方法における情報記憶素子は、
帯状の強磁性材料層（強磁性記録層）を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行である。
【０００８】
そして、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を、強磁性材料層に生じさせる。
【０００９】
また、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子にあっては、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加している。
【００１０】
更には、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法（以下、『本発明の第１の態様に係る情報書込み・読出し方法』と呼ぶ）にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層に単調に低下する温度分布を生じさせることで、強磁性材料層における磁壁の位置を制御する。
【００１１】
また、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法（以下、『本発明の第２の態様に係る情報書込み・読出し方法』と呼ぶ）にあっては、
情報記憶素子は、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加しており、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の温度を上昇させて強磁性材料層における磁壁の位置を制御する。
【００１２】
本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る情報書込み・読出し方法、あるいは、本発明の第１の態様若しくは第２の態様に係る情報記憶素子にあっては、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる。係る情報の書込み形態として、第３電極の構成、構造にも依るが、ＧＭＲ（Giant MagnetoResistance，巨大磁気抵抗）効果あるいはＴＭＲ（Tunnel MagnetoResistance）効果に基づき、電流によるスピン注入磁化反転によって情報が書き込まれる形態を挙げることができる。あるいは又、電流によって形成された磁界に基づき情報が書き込まれる形態を挙げることができる。また、磁化状態が情報として読み出されるが、係る情報の読出し形態として、強磁性材料層における電気抵抗値の高低を検出する形態を挙げることができるし、あるいは又、強磁性材料層における磁界の方向を検出する形態を挙げることができる。
【発明の効果】
【００１３】
一般に、磁化領域における磁化方向が強磁性材料層の厚さ方向に平行である場合、即ち、磁化領域が所謂垂直磁化されている場合、強磁性材料層の温度が上昇し、垂直磁気異方性が減少（低下）すると、磁壁は移動し易くなる。これとは逆に、強磁性材料層の温度が下降し、垂直磁気異方性が増加（上昇）すると、磁壁は移動し難くなる。
【００１４】
本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を強磁性材料層に生じさせる。尚、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ未満のとき、磁壁は移動し難く、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。ここで、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、書き込まれた情報である上向きの磁化状態あるいは下向きの磁化状態は、第１電極から第２電極へと電流を流すことで生じるスピントルクに起因した電流誘起磁壁移動によって、強磁性材料層の一端に向かって移動する。そして、距離Ｌ1の地点を越えたとき、上向きの磁化状態あるいは下向きの磁化状態の移動（磁壁の移動）が停止し、係る距離Ｌ1の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。次いで、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を変化させた結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2（＜Ｌ1）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、距離Ｌ2の地点を越えたとき、情報としての磁化状態の移動（磁壁の移動）が停止し、係る距離Ｌ2の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）に確実に情報としての磁化状態を書き込み、固定することができる。
【００１５】
情報の読出し時、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。第２電極から第１電極へと電流を流すことで生じる電流誘起磁壁移動によって、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を変化させた結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1（＞Ｌ2）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。尚、情報の読出し時、記憶された情報は破壊されるので、情報の読出しが完了した後、情報を書き込んでおくか、他の情報記憶素子に情報を移しておく必要がある。また、情報書込み・読出し方法は、所謂シーケンシャル方式である。
【００１６】
本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の温度を上昇させる。ここで、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1の地点における強磁性材料層の垂直磁気異方性の値をＭＡ1とし、距離Ｌ2（＜Ｌ1）の地点における強磁性材料層の垂直磁気異方性の値をＭＡ2（＜ＭＡ1）とする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ1にあっては、強磁性材料層の温度がＴ1゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ2にあっては、強磁性材料層の温度がＴ2゜Ｃ（＜Ｔ1）以上のとき、磁壁は移動し易いとする。
【００１７】
情報の書込み時、強磁性材料層の温度をＴ1゜Ｃとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、情報としての磁化状態は、第１電極から第２電極へと電流を流すことで生じる電流誘起磁壁移動によって、強磁性材料層の一端に向かって移動する。そして、距離Ｌ1の地点を越えたとき、情報としての磁化状態の移動（磁壁の移動）が停止し、係る距離Ｌ1の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。次いで、強磁性材料層の温度を低下させてＴ2゜Ｃとする。この状態で強磁性材料層に情報を書き込むと、情報としての磁化状態は、距離Ｌ2の地点を越えたとき、移動が停止し、係る距離Ｌ2の地点を越えた領域において情報としての磁化状態が固定される。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）に確実に情報としての磁化状態を書き込み、固定することができる。
【００１８】
情報の読出し時、強磁性材料層の温度をＴ2とする。第２電極から第１電極へと電流を流すことで生じる電流誘起磁壁移動によって、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、強磁性材料層の温度をＴ1に上昇させる。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。尚、情報の読出し時、記憶された情報は破壊されるので、情報の読出しが完了した後、情報を書き込んでおくか、他の情報記憶素子に情報を移しておく必要がある。また、情報書込み・読出し方法は、所謂シーケンシャル方式である。
【００１９】
そして、以上の結果として、強磁性材料層内において磁壁が長い距離を移動したときでも、情報誤りを起こし易くなるといった問題の発生を確実に回避することができる。それ故、本発明によれば、安定して情報を保持しながら、確実に情報の書込み、記録、読出しを行うことができ、１つの連続した磁性体素子に多数の情報が記録可能となり、小型、軽量、且つ、安価な情報記憶装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して、実施例に基づき本発明を説明する。尚、説明は、以下の順序で行う。
１．本発明の情報記憶素子、及び、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法、全般に関する説明
２．実施例１（本発明の第１の態様に係る情報記憶素子及び本発明の第１の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法：第１の構成）
３．実施例２（実施例１の変形例）
４．実施例３（実施例１の変形例：第２の構成）
５．実施例４（実施例１の変形例：第３の構成）
６．実施例５（本発明の第２の態様に係る情報記憶素子及び本発明の第２の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法）
【００２１】
本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法においては、
強磁性材料層の一部に接して設けられた第３電極を更に備えており、
第３電極は、強磁性材料層の一部に接した非磁性体膜、及び、その上に形成された磁化参照層（固着層、磁化固定層とも呼ばれる）から構成されており、
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる形態とすることができる。そして、この場合、第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域における電気抵抗値が情報として第３電極から読み出される構成とすることができる。尚、第２電極と第３電極とを、強磁性材料層を挟んで第２電極と第３電極とが対向した状態に配置してもよいし、第２電極と第３電極とを、強磁性材料層の同じ側に配置してもよいし、第２電極と第３電極とを、強磁性材料層の異なる側に配置してもよい。また、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布として、第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、温度上昇が大きい温度分布とすることができる。
【００２２】
あるいは又、以上に説明した好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様あるいは第２の態様に係る情報書込み・読出し方法にあっては、強磁性材料層の一部に隣接して磁界検出手段が更に設けられており、各磁化領域において生成した磁場を情報として磁界検出手段によって読み出す形態とすることができる。磁界検出手段として、具体的には、磁界を検出するコイルあるいは配線を挙げることができる。各磁化領域において生成した磁場の方向を、情報として、磁界検出手段であるコイルや配線によって読み出せばよい。尚、情報の読出し方法として、その他、光磁気効果（カー効果）を用いる方法を採用してもよい。
【００２３】
更には、以上に説明した各種の好ましい形態を含む本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、強磁性材料層の軸線方向と直交する仮想平面で強磁性材料層を切断したときの強磁性材料層の断面積が、強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第１の構成』と呼ぶ。あるいは又、強磁性材料層の比抵抗値が強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第２の構成』と呼ぶ。あるいは又、強磁性材料層の軸線方向に沿って強磁性材料層の温度を変化させる温度制御手段が、強磁性材料層近傍に配置されており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、温度制御手段によって強磁性材料層に温度分布を生じさせる構成とすることができる。尚、このような構成を、便宜上、『第３の構成』と呼ぶ。
【００２４】
強磁性材料層の断面積の強磁性材料層の軸線方向に沿った変化（具体的には、強磁性材料層の他端から一端に向かって、漸次、連続的に若しくは階段状に断面積が増加する変化）は、強磁性材料層の幅の設定、あるいは又、強磁性材料層の厚さの設定、あるいは又、強磁性材料層の幅及び厚さの設定によって得ることができる。強磁性材料層の軸線方向に沿った断面積の変化量は、情報記憶素子に要求される仕様に応じて、適宜、決定すればよい。また、比抵抗値は、例えば、強磁性材料層の所望の部分あるいは領域に窒素イオンや酸素イオンを注入することで変化させることができる。強磁性材料層の軸線方向に沿った比抵抗値の変化（具体的には、強磁性材料層の他端から一端に向かって、漸次、連続的に若しくは階段状に比抵抗値が減少する変化）は、情報記憶素子に要求される仕様に応じて、適宜、決定すればよい。
【００２５】
温度制御手段として、強磁性材料層を加熱するためのヒータを挙げることができ、係るヒータを強磁性材料層の近傍に配置すればよい。ヒータは、例えば、パターニングされた高抵抗体層から構成することができる。高抵抗体層を構成する材料として、例えば、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）やＳｉＣＮといったカーボン系抵抗体材料、ＳｉＮ系材料、アモルファスシリコン等の半導体抵抗体材料、酸化ルテニウム（ＲｕＯ2）、酸化タンタル、窒化タンタル、酸化クロム、酸化チタン等の高融点金属酸化物や高融点金属窒化物を例示することができる。また、温度制御手段として、強磁性材料層を加熱するためのレーザを挙げることもできる。あるいは又、強磁性材料層の周囲の熱伝導を変化させてもよい。即ち、強磁性材料層を取り囲む領域の熱伝導率を変化させてもよい。具体的には、例えば、一種のヒートシンクを設ければよく、このような形態にあっては、係るヒートシンクが温度制御手段に相当する。
【００２６】
一方、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法における上記の好ましい形態にあっては、第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、垂直磁気異方性が小さい構成とすることができる。
【００２７】
以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっては、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層に温度分布を生じさせる形態とすることができ、この場合、第１電極と第２電極との間に流す電流の値を、階段状に、若しくは、連続的に変化させる構成とすることができる。
【００２８】
一方、以上に説明した各種の好ましい形態、構成を含む本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法にあっても、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層の温度を上昇させる形態とすることができる。
【００２９】
本発明の第１の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法において、記憶する情報のビット数をＮとしたとき、異なる温度分布をＮ回、生じさせればよい。また、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法において、記憶する情報のビット数をＮとしたとき、異なる温度上昇をＮ回、生じさせればよい。温度分布や温度上昇は、情報記憶素子に要求される仕様に応じて、適宜、決定すればよい。
【００３０】
強磁性材料層の平面形状は帯状（ストライプ状）であればよく、直線状であってもよいし、曲がっていてもよいし、「Ｕ」字状等の立体形状とすることもできるし、「Ｙ」字状等に分岐した形状とすることもできる。
【００３１】
強磁性材料層（強磁性記録層）を構成する材料として、磁壁を少ない電流で動かすためにスピントルク効率のよい材料が好ましく、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）といった強磁性材料の合金（例えば、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｎｉ、Ｎｉ−Ｆｅ等）にガドリニウム（Ｇｄ）が添加された合金を挙げることができる。更には、垂直磁気異方性を一層増加させるために、係る合金にテルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）等の重希土類を添加してもよいし、これらを含む合金を積層してもよい。強磁性材料層の結晶性は、本質的に任意であり、多結晶であってもよいし、単結晶であってもよいし、非晶質であってもよい。また、強磁性材料層は、単層構成とすることもできるし、上述したとおり複数の異なる強磁性材料層を積層した積層構成とすることもできるし、強磁性材料層と非磁性材料層を積層した積層構成とすることもできる。
【００３２】
強磁性材料層は、例えば、スパッタリング法、イオンビーム堆積法、真空蒸着法に例示される物理的気相成長法（ＰＶＤ法）、ＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）法に代表される化学的気相成長法（ＣＶＤ法）にて形成することができる。強磁性材料層のパターニングは、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ法）やイオンミーリング法（イオンビームエッチング法）にて行うことができる。
【００３３】
本発明の第２の態様に係る情報記憶素子あるいは情報書込み・読出し方法において、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性を単調に増加させるための方法として、強磁性材料層にイオン注入等を施すことで組成分布を形成する方法や、レーザ等を用いた局所加熱法によって強磁性材料層の結晶性に分布を形成する方法を挙げることができる。
【００３４】
第１電極や第２電極は、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｔｉ等の単層構造から成り、あるいは又、ＣｒやＴｉ等から成る下地層と、その上に形成されたＣｕ層、Ａｕ層、Ｐｔ層等の積層構造を有していてもよい。更には、Ｗ、Ｒｕ、Ｔａ等の単層あるいはＣｕ、Ｃｒ、Ｔｉ等との積層構造から構成することもできる。これらの電極は、例えば、スパッタリング法に例示されるＰＶＤ法にて形成することができる。
【００３５】
第３電極と強磁性材料層とによって、ＴＭＲ効果あるいはＧＭＲ効果を有する一種の情報記録構造体が構成される。ここで、磁化参照層、非磁性体膜及び強磁性材料層によって構成されるＴＭＲ効果を有する情報記録構造体とは、磁化参照層と強磁性材料層との間に、トンネル絶縁膜として機能する非磁性体膜が挟まれた構造を指す。ここで、第３電極を構成する磁化参照層を構成する材料として、上述した強磁性材料層を構成する材料を挙げることができるし、積層フェリ構造［反強磁性的結合を有する積層構造であり、合成反強磁性結合（ＳＡＦ：Synthetic Antiferromagnet）とも呼ばれる］を有する構成とすることができるし、静磁結合構造を有する構成とすることができる。積層フェリ構造とは、例えば、磁性材料層／ルテニウム（Ｒｕ）層／磁性材料層の３層構造（具体的には、例えば、ＣｏＦｅ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの３層構造、ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢの３層構造）を有し、ルテニウム層の厚さによって、２つの磁性材料層の層間交換結合が、反強磁性的あるいは強磁性的になる構造を指し、例えば、 S. S. Parkin et. al, Physical Review Letters, 7 May, pp 2304-2307 (1990) に報告されている。尚、２つの磁性材料層の層間交換結合が反強磁性的になる構造を、積層フェリ構造と呼ぶ。また、２つの磁性材料層において、磁性材料層の端面からの漏洩磁界によって反強磁性的結合が得られる構造を、静磁結合構造と呼ぶ。第３電極を構成する非磁性体膜を構成する材料として、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、マグネシウム窒化物、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、アルミニウム窒化物（ＡｌＮ）、シリコン酸化物、シリコン窒化物、ＴｉＯ2あるいはＣｒ2Ｏ3、Ｇｅ、ＮｉＯ、ＣｄＯX、ＨｆＯ2、Ｔａ2Ｏ5、ＢＮ、ＺｎＳ等の絶縁材料を挙げることができる。一方、ＧＭＲ効果を有する情報記録構造体を構成する非磁性体膜を構成する材料として、Ｃｕ、Ｒｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｔａ等、あるいは、これらの合金といった導電性材料を挙げることができるし、導電性が高ければ（抵抗率が数百μΩ・ｃｍ以下）、任意の非金属材料としてもよいが、強磁性材料層や磁化参照層と界面反応を起こし難い材料を、適宜、選択することが望ましい。
【００３６】
絶縁材料から成る非磁性体膜は、例えば、スパッタリング法にて形成された金属膜を酸化若しくは窒化することにより得ることができる。より具体的には、非磁性体膜を構成する絶縁材料としてアルミニウム酸化物（ＡｌＯX）、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ）を用いる場合、例えば、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを大気中で酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをプラズマ酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムをＩＰＣプラズマで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素ラジカルで酸化する方法、スパッタリング法にて形成されたアルミニウムやマグネシウムを酸素中で自然酸化させるときに紫外線を照射する方法、アルミニウムやマグネシウムを反応性スパッタリング法にて成膜する方法、アルミニウム酸化物（ＡｌＯX）やマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）をスパッタリング法にて成膜する方法を例示することができる。
【実施例１】
【００３７】
実施例１は、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子、及び、本発明の第１の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法に関し、具体的には、第１の構成に関する。
【００３８】
模式的な部分的平面図を図１の（Ａ）に示し、図１の（Ａ）の矢印Ｂ−Ｂに沿った模式的な一部断面図を図１の（Ｂ）に示すように、実施例１の情報記憶素子１００は、帯状の強磁性材料層（強磁性記録層）１１１を備えている。また、強磁性材料層１１１の一端には第１電極１２１が設けられており、強磁性材料層１１１の他端には第２電極１２２が設けられている。そして、実施例１の情報記憶素子１００にあっては、第１電極１２１と第２電極１２２との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じる。ここで、第１電極１２１と第２電極１２２との間に流す電流を、『磁壁駆動電流』と呼ぶ。強磁性材料層１１１において、磁化領域１１２に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出される。更には、各磁化領域１１２における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行である。参照番号１１３は、磁化領域１１２と磁化領域１１２の境界（界面）である磁壁を示す。図１の（Ａ）にあっては、層間絶縁層１１４の図示を省略している。また、参照番号１２４は、層間絶縁層１１４上に形成され、第３電極１２３に接続された配線を指す。図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示した情報記憶素子１００にあっては、強磁性材料層１１１の下に第１電極１２１、第２電極１２２を設け、強磁性材料層１１１の上に第３電極１２３を設けたが、これとは逆に、強磁性材料層１１１の上に第１電極１２１、第２電極１２２を設け、強磁性材料層１１１の下に第３電極１２３を設けてもよい。
【００３９】
実施例１の情報記憶素子１００は、強磁性材料層１１１の一部に接して設けられた第３電極１２３を更に備えている。第３電極１２３は、強磁性材料層１１１を挟んで、第２電極１２２と対向して配置されている。ここで、第３電極１２３は、強磁性材料層１１１の一部に接した非磁性体膜１２３Ａ、及び、その上に形成された磁化参照層１２３Ｂから構成されている。磁化参照層１２３Ｂは、磁化領域１１２に記録する磁化の方向を決めるための基準磁化層として機能する。そして、第２電極１２１と第３電極１２３との間に電流を流すことで、各磁化領域１１２に磁化状態が情報として書き込まれる。また、第２電極１２１と第３電極１２３との間に電流を流すことで、各磁化領域１１２における電気抵抗値（電気抵抗値の高低）が情報として第３電極１２３から読み出される。第３電極１２３と強磁性材料層１１１とによって、ＴＭＲ効果を有する一種の情報記録構造体が構成され、電流によるスピン注入磁化反転によって磁化領域１１２が形成され、磁壁１１３が生じ、強磁性材料層１１１に情報が書き込まれる。即ち、強磁性材料層１１１においては、電流の流れる方向により、その磁化の方向が、磁化参照層１２３Ｂに対して平行又は反平行に変えられる。
【００４０】
そして、実施例１にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層１１１の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を、強磁性材料層１１１に生じさせる。そして、これによって、強磁性材料層１１１における磁壁１１３の位置を制御する。具体的には、強磁性材料層１１１の軸線方向と直交する仮想平面で強磁性材料層１１１を切断したときの強磁性材料層１１１の断面積が、強磁性材料層１１１の軸線方向に沿って変化している。より具体的には、強磁性材料層１１１の他端から一端に向かって、漸次、連続的に断面積が増加する変化する。即ち、強磁性材料層１１１の断面積は、第１電極１２１に近づくほど、大きな値となる。そして、これによって、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極１２１と第２電極１２２との間に電流を流すことで、強磁性材料層１１１に温度分布を生じさせることができる。具体的には、第１電極１２１に近づくほど、強磁性材料層１１１の温度が低い状態を形成することができる。
【００４１】
実施例１において、帯状の強磁性材料層１１１は、Ｔａから成る下地層（厚さ：２ｎｍ）、ＴｂＣｏ合金層（厚さ：２ｎｍ）、ＧｄＦｅＣｏ合金層（厚さ：８ｎｍ）及びＣｏＦｅＣｒＢ合金層（厚さ：２ｎｍ）の積層構造から成る。強磁性材料層１１１の幅は、第２電極１２２から第１電極１２１に向かって０．１０μｍから０．１５μｍへと、漸次、変化する。尚、第１電極１２１と第２電極１２２との間の距離は１．３μｍである。また、第１電極１２１と第２電極１２２の間の強磁性材料層１１１の電気抵抗値は８２０Ωである。図５に、ＣｏＦｅＣｒＢ合金層とＧｄＦｅＣｏ合金層の積層構造体における垂直磁気異方性の温度変化を示す。垂直磁気異方性は１５０゜Ｃまで低下し、それ以上の温度ではほぼ一定となる。第３電極１２３を構成する非磁性体膜１２３Ａは、厚さ０．８ｎｍのＭｇＯから成り、磁化参照層１２３Ｂは、ＣｏＦｅＢ合金層（厚さ：１ｎｍ）とＴｂＣｏ合金層（厚さ：２０ｎｍ）の積層膜から成る。第１電極１２１及び第２電極１２２はチタン層から構成されており、例えば、第１電極１２１は駆動電源（図示せず）に接続され、第２電極１２２は接地されている。尚、第３電極１２３と強磁性材料層１１１とによって、ＧＭＲ効果を有する一種の情報記録構造体を構成してもよく、この場合には、非磁性体膜１２３Ａを、例えば、Ｃｕから構成すればよい。
【００４２】
以下、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を、情報記憶素子１００の概念図である図２の（Ａ）〜（Ｅ）、図３の（Ａ）〜（Ｅ）、図４の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して説明する。実施例１の情報書込み・読出し方法は、所謂シーケンシャル方式である。
【００４３】
図２〜図４、後述する図１１〜図１３において、強磁性材料層１１１内部に描いた矢印は、磁化の方向を示し、便宜上、上向きの矢印を情報「０」とし、下向きの矢印を情報「１」とする。また、第３電極１２３に描いた矢印は、磁化参照層１２３Ｂにおける磁化の方向を示す。そして、第３電極１２３から第２電極１２２に電流を流すことで、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。一方、第２電極１２２から第３電極１２３に電流を流すことで、情報「１」（下向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。尚、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ未満のとき、磁壁は移動し難く、強磁性材料層の温度がＴ0゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。
【００４４】
先ず、図２の（Ａ）に示す状態において、第１ビットとして、強磁性材料層１１１に情報「０」を書き込むことを想定する。尚、図２の（Ａ）あるいは後述する図１１の（Ａ）にあっては、強磁性材料層１１１，５１１に以前の情報が残されている場合があるが、係る情報の図示は省略している。また、強磁性材料層１１１，５１１の磁化の方向の初期化は、外部から磁場を強磁性材料層１１１，５１１に加えることで行うことができる。
【００４５】
そして、この場合、図２の（Ｂ）に示すように、第３電極１２３に電圧＋ＶWを印加して、第３電極１２３から第２電極１２２へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。
【００４６】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図２の（Ｃ）に示すように、第１電極１２１に電圧＋Ｖm1を印加し、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、強磁性材料層１１１の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層１１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる（図２の（Ｄ）参照）。尚、第２電極１２２から距離Ｌ1における強磁性材料層１１１の部分がＴ0となるような温度分布を生じさせる。しかも、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流すことによって、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ1の地点を越えると、磁壁の移動は停止する。その後、第１電極１２１、第３電極１２３への電圧の印加を中断する（図２の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極１２２から距離Ｌ1を越えた強磁性材料層１１１の領域に情報「０」が書き込まれる。
【００４７】
次に、強磁性材料層１１１に情報「１」を書き込むことを想定する。この場合、図３の（Ａ）に示すように、第３電極１２３に電圧−ＶWを印加して、第２電極１２２から第３電極１２３へと電流を流す。これによって、情報「１」（下向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。
【００４８】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図３の（Ｂ）に示すように、第１電極１２１に電圧＋Ｖm2（＜＋Ｖm1）を印加し、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層１１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。但し、第２電極１２２から距離Ｌ2（＜Ｌ1）における強磁性材料層１１１の部分がＴ0となるような温度分布を生じさせる（図３の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図３の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ2の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図３の（Ｄ）参照）。その後、第１電極１２１、第３電極１２３への電圧の印加を中断する（図３の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極１２２から距離Ｌ2を越えた強磁性材料層１１１の領域に情報「１」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層１１１には、２つの情報（０，１）が書き込まれている。
【００４９】
次に、強磁性材料層１１１に情報「０」を書き込むことを想定する。この場合、図４の（Ａ）に示すように、第３電極１２３に電圧＋ＶWを印加して、第２電極１２２から第３電極１２３へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極１２３に対向する強磁性材料層１１１の部分に書き込まれる。
【００５０】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図４の（Ｂ）に示すように、第１電極１２１に電圧＋Ｖm3（＜＋Ｖm2）を印加し、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層１１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。但し、第２電極１２２から距離Ｌ3（＜Ｌ2）における強磁性材料層１１１の部分がＴ0となるような温度分布を生じさせる（図４の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図４の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ3の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図４の（Ｄ）参照）。その後、第１電極１２１、第３電極１２３への電圧の印加を中断する（図４の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極１２２から距離Ｌ3を越えた強磁性材料層１１１の領域に情報「０」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層１１１には、３つの情報（０，１，０）が書き込まれている。
【００５１】
尚、第１電極１２１から第２電極１２２へと磁壁駆動電流を流すことで磁壁１１３を移動させながら、磁壁駆動電流の値を制御することで、強磁性材料層１１１に情報を、順次、書き込んでもよい。
【００５２】
そして、このような操作を、逐次、合計Ｎ回、繰り返すことで、Ｎビットの情報を書き込むことができる。
【００５３】
強磁性材料層１１１に書き込まれた情報を読み出す場合には、第２電極１２２から第１電極１２１へと磁壁駆動電流を流す。これによってジュール熱が生成し、強磁性材料層１１１に温度分布が生じる。尚、強磁性材料層の他端から距離Ｌ3の地点における強磁性材料層の温度がＴ0となるように磁壁駆動電流を流す。併せて、磁壁１１３が強磁性材料層１１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ3を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。そして、第３電極１２３から第２電極１２２に電流を流し、磁化領域１１２の電気抵抗値の高低を調べることで、書き込まれた情報が「０」であるか「１」であるかを判別することができる。ここで、強磁性材料層１１１と磁化参照層１２３Ｂの磁化方向が等しい場合、低抵抗となり、強磁性材料層１１１と磁化参照層１２３Ｂの磁化方向が反平行の場合、高抵抗となる。こうして、強磁性材料層の他端から距離Ｌ3を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、第２電極１２２から第１電極１２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ2（＞Ｌ3）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。更に、第２電極１２２から第１電極１２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層の他端から距離Ｌ1（＞Ｌ2）の地点における強磁性材料層の温度がＴ0になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。
【００５４】
実施例１の情報記憶素子の第１電極１２１に、図６に示す電圧＋Ｖmを印加した。尚、電圧＋Ｖmを、３．０ボルトから１．０ボルトまで、時間の経過と共に減少させた。また、第３電極１２３に、図６に示す電圧＋ＶW（＝１．０ボルト）及び−ＶW（＝−１．０ボルト）を交互に印加した。こうして、情報記憶素子の強磁性材料層１１１に情報を書き込んだ。次いで、情報記憶素子の強磁性材料層１１１に書き込まれた情報を読み出した。具体的には、第１電極１２１に電圧−Ｖmを印加した。尚、電圧−Ｖmを、−１．０ボルトから−３．０ボルトまで、時間の経過と共に変化させた。そして、第３電極１２３に０．１ミリアンペアの一定電流を流したときの第３電極１２３からの電圧出力変化を再生信号電圧として測定した。その結果を図７に示す。尚、情報読出し時の再生信号電圧を第１電極１２３に印加した電圧の絶対値に対して示し、情報書込み時に第３電極１２３に印加した電圧を合わせて示す。第１電極１２３に１．５ボルト乃至２．２ボルトを印加したとき、情報の書込み、読出しが行われていることが確認できた。従って、第１電極１２３に印加する電圧や強磁性材料層１１１の大きさ等を最適化することで、より多くの情報を強磁性材料層に記憶させることが可能であり、高密度記録を実現できることが判る。
【００５５】
以下、基板等の模式的な一部断面図である図８の（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、実施例１の情報記憶素子１００の製造方法の概要を説明する。
【００５６】
［工程−１００］
先ず、シリコン半導体基板から成る基板１１０に第１電極１２１及び第２電極１２２を形成する。第１電極１２１及び第２電極１２２を基板１１０上に形成してもよいが、磁壁１１３の移動を妨げないように、基板１１０と第１電極１２１、第２電極１２２との段差は少ない方がよく、そのためには、基板１１０に埋め込まれた第１電極１２１、第２電極１２２を形成することが望ましい。具体的には、基板１１０にリソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき溝部を形成する。そして、全面に、スパッタリング法に基づきＴｉ層を形成する。次いで、基板１１０の表面のＴｉ層を例えばＣＭＰ法で除去することで、第１電極１２１及び第２電極１２２を溝部内に残す。こうして、図８の（Ａ）に示すように、基板１１０に第１電極１２１及び第２電極１２２を形成することができる。第１電極１２１は、基板１１０に設けられた配線（図示せず）を介して駆動電源（図示せず）に接続されている。また、第２電極１２２は、基板１１０に設けられた配線（図示せず）を介して接地されている。
【００５７】
［工程−１１０］
次いで、全面に、スパッタリング法に基づき強磁性材料層を形成した後、強磁性材料層をパターニングすることで、帯状の強磁性材料層１１１を得る（図８の（Ｂ）参照）。強磁性材料層１１１のパターニングは、イオンミーリング法や反応性エッチング法等に基づき行うことができるし、リフトオフ法を採用してもよい。
【００５８】
［工程−１２０］
その後、第３電極１２３を形成する。具体的には、全面に、スパッタリング法及び酸化法に基づき非磁性体膜１２３Ａを形成し、更に、スパッタリング法に基づき磁化参照層１２３Ｂを形成した後、イオンミーリング法や反応性エッチング法等に基づき非磁性体膜１２３Ａ及び磁化参照層１２３Ｂのパターニングを行う（図８の（Ｃ）参照）。
【００５９】
［工程−１３０］
次いで、全面に絶縁材料から成る層間絶縁層１１４を、例えば、ＣＶＤ法に基づき形成する。その後、第３電極１２３の上方の層間絶縁層１１４の部分に開口部を形成し、開口部内を含む層間絶縁層１１４上に配線１２４を形成する。こうして、図１の（Ａ）及び（Ｂ）に示した実施例１の情報記憶素子１００を完成させることができる。尚、層間絶縁層を構成する材料として、ＳｉＯ2、ＮＳＧ（ノンドープ・シリケート・ガラス）、ＢＰＳＧ（ホウ素・リン・シリケート・ガラス）、ＰＳＧ、ＢＳＧ、ＡｓＳＧ、ＳｂＳＧ、ＳＯＧ（スピンオングラス）等のＳｉＯX系材料（シリコン系酸化膜を構成する材料）、ＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＳｉＯＣ、ＳｉＯＦ、ＳｉＣＮ、低誘電率絶縁材料（例えば、フルオロカーボン、シクロパーフルオロカーボンポリマー、ベンゾシクロブテン、環状フッ素樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、アモルファス・テトラフルオロエチレン、フッ化アリールエーテル、フッ化ポリイミド、アモルファスカーボン、有機ＳＯＧ、パリレン、フッ化フラーレン）、ポリイミド系樹脂、フッ素系樹脂、Ｓｉｌｋ（The Dow Chemical Co. の商標であり、塗布型低誘電率層間絶縁膜材料）、Ｆｌａｒｅ（Honeywell Electronic Materials Co. の商標であり、ポリアリルエーテル（ＰＡＥ)系材料）を例示することができる。
【００６０】
実施例１の情報記憶素子１００にあっては、強磁性材料層１１１内において磁壁１１３が長い距離を移動したときでも、情報誤りを起こし易くなるといった問題の発生を確実に回避することができる。それ故、安定して情報を保持しながら、確実に情報の書込み、記録、読出しを行うことができ、１つの連続した磁性体素子に多数の情報が記録可能となり、小型、軽量、且つ、安価な情報記憶装置を実現することができる。
【実施例２】
【００６１】
実施例２は、実施例１の変形である。実施例２の情報記憶素子２００の模式的な部分的平面図を図９の（Ａ）及び（Ｂ）に示す。図９の（Ａ）に示した情報記憶素子２００にあっては、３つの情報記憶素子２００の第２電極２２２が共通化されている。一方、図９の（Ｂ）に示した情報記憶素子２００にあっては、３つの情報記憶素子２００の第１電極２２１が共通化されている。これらの点を除き、実施例２の情報記憶素子２００の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。ここで、実施例２の情報記憶素子２００、あるいは、後述する各実施例の情報記憶素子を構成する構成要素の参照番号における下２桁の数字と、実施例１の情報記憶素子１００を構成する構成要素の参照番号における下２桁の数字が同じである構成要素は、同じ構成要素である。
【実施例３】
【００６２】
実施例３も、実施例１の変形であるが、第２の構成に関する。即ち、実施例３の情報記憶素子にあっては、強磁性材料層（強磁性記録層）の比抵抗値が強磁性材料層の軸線方向に沿って変化している。具体的には、強磁性材料層の比抵抗値は、強磁性材料層の他端から一端に向かって、漸次、階段状に減少している。そして、その結果、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせることができる。尚、比抵抗値は、例えば、強磁性材料層の所望の部分あるいは領域に窒素イオンや酸素イオンを注入することで変化させればよい。この点を除き、実施例３の情報記憶素子の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００６３】
実施例３にあっても、第１電極から第２電極へと磁壁駆動電流を流すと、あるいは又、第２電極から第１電極へと磁壁駆動電流を流すと、強磁性材料層の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。実施例３の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法は、実質的に、実施例１の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００６４】
尚、実施例３において、実施例１において説明したと同様に、強磁性材料層の断面積を変化させてもよい。また、実施例２において説明した情報記憶素子の構成を実施例３の情報記憶素子に適用することもできる。
【実施例４】
【００６５】
実施例４も、実施例１の変形であるが、第３の構成に関する。即ち、実施例４の情報記憶素子４００にあっては、模式的な一部断面図を図１０に示すが、強磁性材料層４１１の軸線方向に沿って強磁性材料層４１１の温度を変化させる温度制御手段４４０が、強磁性材料層４１１の近傍に配置されている。このように、温度制御手段４４０を設けることで、情報の書込み若しくは情報の読出し時、温度制御手段４４０によって強磁性材料層（強磁性記録層）４１１に温度分布を生じさせる。
【００６６】
図１０に模式的な一部断面図を示すように、実施例４において、温度制御手段４４０は、強磁性材料層４１１を取り囲む領域の熱伝導率を変化させるための、一種のヒートシンクから成る。具体的には、強磁性材料層４１１の上に層間絶縁層４１４が設けられている。そして、強磁性材料層４１１の一部の上方の層間絶縁層４１４の部分には凹部が設けられており、凹部を含む層間絶縁層４１４の上には、強磁性材料層４１１と平行に、帯状に銅（Ｃｕ）層から成る温度制御手段４４０が形成されている。強磁性材料層４１１から温度制御手段４４０の底面までの距離は、強磁性材料層４１１の他端から一端に向かって、漸次、連続的に短くなっている。尚、漸次、階段状に短くなっていてもよい。このように、強磁性材料層４１１の軸線方向に沿って強磁性材料層４１１の温度を変化させるが、温度の異なる強磁性材料層４１１の領域は、強磁性材料層４１１に記憶すべき情報の数（ビット数）の群に分けられている。この点を除き、実施例４の情報記憶素子の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。温度制御手段４４０として、一種のヒートシンクを設ける代わりに、ヒータを設けてもよいし、レーザを用いて強磁性材料層４１１を加熱してもよい。
【００６７】
実施例４にあっても、第１電極４２１から第２電極４２２へと磁壁駆動電流を流すと、あるいは又、第２電極４２２から第１電極４２１へと磁壁駆動電流を流すと、強磁性材料層４１１の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層４１１には、第２電極側が高く、第１電極側が低い温度分布が生じる。実施例４の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法は、実質的に、実施例１の情報記憶素子における情報の書込み、読出しの方法と同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００６８】
尚、実施例４においても、実施例１において説明したと同様に、強磁性材料層の断面積を変化させてもよい。また、実施例２において説明した情報記憶素子の構成を実施例４の情報記憶素子に適用することもできる。更には、実施例３において説明した情報記憶素子の構成を実施例４の情報記憶素子に適用することもできるし、実施例１及び実施例３において説明した情報記憶素子の構成を組み合わせて実施例４の情報記憶素子に適用することもできる。
【実施例５】
【００６９】
実施例５は、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子、及び、本発明の第２の態様に係る情報記憶素子における情報書込み・読出し方法に関する。
【００７０】
実施例５の情報記憶素子５００にあっては、強磁性材料層（強磁性記録層）５１１の他端から一端に亙り、強磁性材料層５１１における垂直磁気異方性が単調に増加している。そして、第３電極５２３に近い強磁性材料層５１１の領域ほど、垂直磁気異方性が小さい。また、実施例５の情報書込み・読出し方法にあっては、情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層５１１の温度を上昇させて強磁性材料層５１１における磁壁の位置を制御する。実施例５にあっては、第１電極５２１と第２電極５２２との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度を上昇させる。そして、実施例５にあっては、第１電極５２１と第２電極５２２との間に流す電流の値を階段状に変化させる。
【００７１】
ここで、強磁性材料層５１１の他端から一端に亙り、強磁性材料層５１１における垂直磁気異方性を単調に増加させるためには、強磁性材料層５１１に、例えば、垂直磁気異方性を増加させるＴｂイオン、垂直磁気異方性を減少させる酸素イオン、窒素イオンといった各種のイオンをイオン注入することで組成分布を形成すればよい。イオンの組成を傾斜的に注入する方法として、情報記憶素子の片端にフォトレジスト等で遮蔽壁のようなパターンを作製し、このパターンを遮蔽物として斜め方向からイオンを注入する方法を例示することができ、これによって、組成分布を形成可能である。あるいは又、レーザ等を用いた局所加熱法によって強磁性材料層５１１の結晶性に分布を形成してもよい。強磁性材料層５１１は、ＴｂＧｄＦｅＣｏに上記方法により酸素イオンを斜め方向から注入し酸素組成を分布させ、垂直磁気異方性を傾斜させた材料から成る。
【００７２】
以上の点を除き、実施例５の情報記憶素子５００の構成、構造は、実施例１の情報記憶素子１００の構成、構造と実質的に同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。
【００７３】
以下、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を、情報記憶素子５００の概念図である図１１の（Ａ）〜（Ｅ）、図１２の（Ａ）〜（Ｅ）、図１３の（Ａ）〜（Ｅ）を参照して説明する。実施例５の情報書込み・読出し方法も、所謂シーケンシャル方式である。
【００７４】
尚、強磁性材料層５１１の他端から距離Ｌ1の地点における強磁性材料層５１１の垂直磁気異方性の値をＭＡ1とし、距離Ｌ2（＜Ｌ1）の地点における強磁性材料層５１１の垂直磁気異方性の値をＭＡ2（＜ＭＡ1）とし、距離Ｌ3（＜Ｌ2）の地点における強磁性材料層５１１の垂直磁気異方性の値をＭＡ3（＜ＭＡ2）とする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ1にあっては、強磁性材料層５１１の温度がＴ1゜Ｃ以上のとき、磁壁は移動し易いとする。また、垂直磁気異方性の値ＭＡ2にあっては、強磁性材料層５１１の温度がＴ2゜Ｃ（＜Ｔ1）以上のとき、磁壁は移動し易いとする。更には、垂直磁気異方性の値ＭＡ3にあっては、強磁性材料層５１１の温度がＴ3゜Ｃ（＜Ｔ2）以上のとき、磁壁は移動し易いとする。
【００７５】
先ず、図１１の（Ａ）に示す状態において、第１ビットとして、強磁性材料層５１１に情報「０」を書き込むことを想定する。この場合、図１１の（Ｂ）に示すように、第３電極５２３に電圧＋ＶWを印加して、第３電極５２３から第２電極５２２へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極５２３に対向する強磁性材料層５１１の部分に書き込まれる。
【００７６】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図１１の（Ｃ）に示すように、第１電極５２１に電圧＋Ｖm1を印加し、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、強磁性材料層５１１の内部にジュール熱が生成し、生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度がＴ1に上昇する（図１１の（Ｄ）参照）。しかも、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流すことによって、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ1の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図１１の（Ｃ）参照）。その後、第１電極５２１、第３電極５２３への電圧の印加を中断する（図１１の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極５２２から距離Ｌ1を越えた強磁性材料層５１１の領域に情報「０」が書き込まれる。
【００７７】
次に、強磁性材料層５１１に情報「１」を書き込むことを想定する。この場合、図１２の（Ａ）に示すように、第３電極５２３に電圧−ＶWを印加して、第２電極５２２から第３電極５２３へと電流を流す。これによって、情報「１」（下向きの矢印）が、第３電極５２３に対向する強磁性材料層５１１の部分に書き込まれる。
【００７８】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図１２の（Ｂ）に示すように、第１電極５２１に電圧＋Ｖm2（＜＋Ｖm1）を印加し、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度がＴ2となる（図１２の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図１２の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ2の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図１２の（Ｄ）参照）。その後、第１電極５２１、第３電極５２３への電圧の印加を中断する（図１２の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極５２２から距離Ｌ2を越えた強磁性材料層５１１の領域に情報「１」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層５１１には、２つの情報（０，１）が書き込まれている。
【００７９】
次に、強磁性材料層５１１に情報「０」を書き込むことを想定する。この場合、図１３の（Ａ）に示すように、第３電極５２３に電圧＋ＶWを印加して、第２電極５２２から第３電極５２３へと電流を流す。これによって、情報「０」（上向きの矢印）が、第３電極５２３に対向する強磁性材料層５１１の部分に書き込まれる。
【００８０】
そして、これと同時、あるいは、この直後に、図１３の（Ｂ）に示すように、第１電極５２１に電圧＋Ｖm3（＜＋Ｖm2）を印加し、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流す。これによって、前述したと同様に、生成したジュール熱によって、強磁性材料層５１１の温度がＴ3となる（図１３の（Ｃ）参照）。しかも、電流誘起磁壁移動が生じる。即ち、磁化状態が左から右に移動（伝搬）していく（図１３の（Ｂ）参照）。つまり、磁壁が右に移動していく。そして、磁壁が距離Ｌ3の地点を越えると、磁壁の移動は停止する（図１３の（Ｄ）参照）。その後、第１電極５２１、第３電極５２３への電圧の印加を中断する（図１３の（Ｅ）参照）。こうして、第２電極５２２から距離Ｌ3を越えた強磁性材料層５１１の領域に情報「０」が書き込まれる。即ち、この状態にあっては、強磁性材料層５１１には、３つの情報（０，１，０）が書き込まれている。
【００８１】
尚、第１電極５２１から第２電極５２２へと磁壁駆動電流を流すことで磁壁５１３を移動させながら、磁壁駆動電流の値を制御することで、強磁性材料層５１１に情報を、順次、書き込んでもよい。
【００８２】
そして、このような操作を、逐次、合計Ｎ回、繰り返すことで、Ｎビットの情報を書き込むことができる。
【００８３】
強磁性材料層５１１に書き込まれた情報を読み出す場合には、第２電極５２２から第１電極５２１へと磁壁駆動電流を流す。これによってジュール熱が生成し、強磁性材料層５１１の温度がＴ3へと上昇する。併せて、磁壁５１３が強磁性材料層５１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ3を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。そして、第３電極５２３から第２電極５２２に電流を流し、磁化領域５１２の電気抵抗値の高低を調べることで、書き込まれた情報が「０」であるか「１」であるかを判別することができる。ここで、強磁性材料層５１１と磁化参照層５２３Ｂの磁化方向が等しい場合、低抵抗となり、強磁性材料層５１１と磁化参照層５２３Ｂの磁化方向が反平行の場合、高抵抗となる。こうして、強磁性材料層５１１の他端から距離Ｌ3を越えない領域における情報を読み出すことができる。次いで、第２電極５２２から第１電極５２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層５１１の温度がＴ2になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層５１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ2を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層５１１における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。更に、第２電極５２２から第１電極５２１へと流す磁壁駆動電流の値を増加させる。その結果、強磁性材料層５１１の温度がＴ1になったとする。この状態にあっては、情報としての磁化状態は、強磁性材料層５１１の他端に向かって移動する。但し、距離Ｌ1を越える領域に位置する磁化状態は移動することができない。こうして、強磁性材料層５１１における所望の位置（領域）における情報としての磁化状態を確実に読み出すことができる。
【００８４】
以上、本発明を好ましい実施例に基づき説明したが，本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。実施例において説明した情報記憶素子の構成や構造、構成材料、製造方法等は例示であり、適宜、変更することができる。強磁性材料層（強磁性記録層）からの情報の読出しとして、代替的に、強磁性材料層における磁界の方向を検出することで情報が読み出される形態とすることもできる。ここで、この場合には、例えば、磁界検出手段として、具体的には、コイルや配線を挙げることができる。
【００８５】
実施例１の情報記憶素子の変形例を図１４に模式的な一部断面図を示すように、情報記憶素子６００における帯状の強磁性材料層（強磁性記録層）６１１を、例えば、「Ｕ」字状の立体形状とすることもできる。係る情報記憶素子６００は、例えば、以下の方法で製造することができる。即ち、シリコン半導体基板から成る基板６１０に、磁化参照層６２３Ｂ及び非磁性体膜６２３Ａの積層構造を有する第３電極６２３を形成した後、基板６１０上に、層間絶縁層６１５を形成する。次いで、第３電極６２３の上方の層間絶縁層６１５に開口部を形成し、係る開口部内に強磁性材料層６１１を形成し、強磁性材料層６１１を絶縁膜６１６で被覆する。その後、開口部の底部に位置する絶縁膜６１６の部分、層間絶縁層６１５の頂面上の絶縁膜６１６の一部分を除去する。そして、開口部内を第２電極６２２で埋め込み、更には、層間絶縁層６１５の頂面上に露出した強磁性材料層６１１上に第１電極６２１を形成する。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】図１の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例１の情報記憶素子の模式的な部分的平面図及び模式的な一部断面図である。
【図２】図２の（Ａ）〜（Ｅ）は、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図３】図３の（Ａ）〜（Ｅ）は、図２の（Ｅ）に引き続き、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図４】図４の（Ａ）〜（Ｅ）は、図３の（Ｅ）に引き続き、実施例１の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図５】図５は、ＣｏＦｅＣｒＢ合金層とＧｄＦｅＣｏ合金層の積層構造体における垂直磁気異方性の温度変化を示すグラフである。
【図６】図６は、実施例１の情報記憶素子の第１電極及び第３電極に印加する電圧のパターンを示すグラフである。
【図７】図７は、実施例１の情報記憶素子の第３電極からの電圧出力変化を再生信号電圧として測定した結果を示すグラフである。
【図８】図８の（Ａ）〜（Ｃ）は、実施例１の情報記憶素子の製造方法を説明するための基板等の模式的な一部断面図である。
【図９】図９の（Ａ）及び（Ｂ）は、実施例２の情報記憶素子の模式的な部分的平面図である。
【図１０】図１０は、実施例４の情報記憶素子の模式的な一部断面図である。
【図１１】図１１の（Ａ）〜（Ｅ）は、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図１２】図１２の（Ａ）〜（Ｅ）は、図１１の（Ｅ）に引き続き、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図１３】図１３の（Ａ）〜（Ｅ）は、図１２の（Ｅ）に引き続き、実施例５の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法を説明するための情報記憶素子の概念図、及び、強磁性材料層の温度分布を模式的に示す図である。
【図１４】図１４は、実施例１の情報記憶素子の変形例の模式的な一部断面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１００，２００，４００，５００，６００・・・情報記憶素子、１１０，２１０，６１０・・・基板、１１１，２１１，４１１，５１１，６１１・・・強磁性材料層（強磁性記録層）、１１２，５１２・・・磁化領域、１１３，５１３・・・磁壁、１１４，４１４，６１５・・・層間絶縁層、１２１，２２１，４２１，５２１，６２１・・・第１電極、１２２，２２２，４２２，５２２，６２２・・・第２電極、１２３，２２３，４２３，５２３，６２３・・・第３電極、１２３Ａ，２２３Ａ，４２３Ａ，５２３Ａ，６２３Ａ・・・非磁性体膜、１２３Ｂ，２２３Ｂ，４２３Ｂ，５２３Ｂ，６２３Ｂ・・・磁化参照層、１２４・・・配線、４４０・・・温度制御手段、６１６・・・絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行であり、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を、強磁性材料層に生じさせる情報記憶素子。
【請求項２】
強磁性材料層の一部に接して設けられた第３電極を更に備えており、
第３電極は、強磁性材料層の一部に接した非磁性体膜、及び、その上に形成された磁化参照層から構成されており、
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項３】
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域における電気抵抗値が情報として第３電極から読み出される請求項２に記載の情報記憶素子。
【請求項４】
強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布においては、第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、温度上昇が大きい請求項２に記載の情報記憶素子。
【請求項５】
強磁性材料層の軸線方向と直交する仮想平面で強磁性材料層を切断したときの強磁性材料層の断面積が、強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項６】
強磁性材料層の比抵抗値が強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項７】
強磁性材料層の軸線方向に沿って強磁性材料層の温度を変化させる温度制御手段が、強磁性材料層近傍に配置されており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、温度制御手段によって強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項８】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行であり、
強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加している情報記憶素子。
【請求項９】
強磁性材料層の一部に接して設けられた第３電極を更に備えており、
第３電極は、強磁性材料層の一部に接した非磁性体膜、及び、その上に形成された磁化参照層から構成されており、
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる請求項８に記載の情報記憶素子。
【請求項１０】
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域における電気抵抗値が情報として第３電極から読み出される請求項９に記載の情報記憶素子。
【請求項１１】
第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、垂直磁気異方性が小さい請求項９に記載の情報記憶素子。
【請求項１２】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行である情報記憶素子における情報書込み・読出し方法であって、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層に単調に低下する温度分布を生じさせることで、強磁性材料層における磁壁の位置を制御する、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１３】
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１２に記載の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１４】
第１電極と第２電極との間に流す電流の値を、階段状に、若しくは、連続的に変化させる請求項１３に記載の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１５】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行であり、
強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加している情報記憶素子における情報書込み・読出し方法であって、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の温度を上昇させて強磁性材料層における磁壁の位置を制御する、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１６】
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層の温度を上昇させる請求項１５に記載の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行であり、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布を、強磁性材料層に生じさせる情報記憶素子。
【請求項２】
強磁性材料層の一部に接して設けられた第３電極を更に備えており、
第３電極は、強磁性材料層の一部に接した非磁性体膜、及び、その上に形成された磁化参照層から構成されており、
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項３】
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域における電気抵抗値が情報として第３電極から読み出される請求項２に記載の情報記憶素子。
【請求項４】
強磁性材料層の他端から一端に亙り単調に低下する温度分布においては、第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、温度上昇が大きい請求項２に記載の情報記憶素子。
【請求項５】
強磁性材料層の軸線方向と直交する仮想平面で強磁性材料層を切断したときの強磁性材料層の断面積が、強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項６】
強磁性材料層の比抵抗値が強磁性材料層の軸線方向に沿って変化しており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、第１電極と第２電極との間に電流を流すことで、強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項７】
強磁性材料層の軸線方向に沿って強磁性材料層の温度を変化させる温度制御手段が、強磁性材料層近傍に配置されており、以て、情報の書込み若しくは情報の読出し時、温度制御手段によって強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１に記載の情報記憶素子。
【請求項８】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行であり、
強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加している情報記憶素子。
【請求項９】
強磁性材料層の一部に接して設けられた第３電極を更に備えており、
第３電極は、強磁性材料層の一部に接した非磁性体膜、及び、その上に形成された磁化参照層から構成されており、
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれる請求項８に記載の情報記憶素子。
【請求項１０】
第２電極と第３電極との間に電流を流すことで、各磁化領域における電気抵抗値が情報として第３電極から読み出される請求項９に記載の情報記憶素子。
【請求項１１】
第３電極に近い強磁性材料層の領域ほど、垂直磁気異方性が小さい請求項９に記載の情報記憶素子。
【請求項１２】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行である情報記憶素子における情報書込み・読出し方法であって、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層に単調に低下する温度分布を生じさせることで、強磁性材料層における磁壁の位置を制御する、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１３】
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層に温度分布を生じさせる請求項１２に記載の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１４】
第１電極と第２電極との間に流す電流の値を、階段状に、若しくは、連続的に変化させる請求項１３に記載の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１５】
帯状の強磁性材料層を備えており、
強磁性材料層の一端には第１電極が設けられており、強磁性材料層の他端には第２電極が設けられており、
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで電流誘起磁壁移動が生じ、
強磁性材料層において、磁化領域に磁化状態が情報として書き込まれ、若しくは、磁化状態が情報として読み出され、
各磁化領域における磁化方向は、強磁性材料層の厚さ方向に平行であり、
強磁性材料層の他端から一端に亙り、強磁性材料層における垂直磁気異方性が単調に増加している情報記憶素子における情報書込み・読出し方法であって、
情報の書込み若しくは情報の読出し時、強磁性材料層の温度を上昇させて強磁性材料層における磁壁の位置を制御する、情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【請求項１６】
第１電極と第２電極との間に電流を流すことで生成したジュール熱によって、強磁性材料層の温度を上昇させる請求項１５に記載の情報記憶素子における情報書込み・読出し方法。
【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】
【公開番号】特開２０１０−９８２４５（Ｐ２０１０−９８２４５Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２６９９２６（Ｐ２００８−２６９９２６）
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月２０日（２００８．１０．２０）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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