信息存储元件及其信息读写方法

专利名称：信息存储元件及其信息读写方法
技术领域：
本发明涉及信息存储元件，以及向该信息存储元件写入信息和从该信息存储元件
读取信息的方法。
背景技术：
在诸如计算机的信息设备中，目前，广泛使用硬盘驱动器作为外部存储单元。然 而，由于硬盘驱动器包括转动机构，因此难以减小其尺寸和节省电力。因此，已经开始使用 包括闪速存储器的硅盘驱动器(固态驱动器(SSD))作为小型设备的外部存储单元。然而， 这种硅盘驱动器很昂贵，并且其存储容量不足。因此，强烈需要一种具有大存储容量、非易 失性的、并且可以高速地对其进行信息读写的存储单元。 作为这种存储单元之一，已经设计出一种电流感生磁畴壁运动磁存储器 (current—induced domain wall motion magnetic memory)，其为——禾中从被设i十成将信息 存储为磁材料的磁化状态的磁存储器发展而来的存储器(例如参见日本待审专利申请公 报2005-123617和2006-237183)。在这种电流感生磁畴壁运动磁存储器中，将带状铁磁性 材料层分成多个磁化区(磁畴)，并对该铁磁性材料层施加电流，由此在移动磁畴壁(其为 磁化区的边界)时将信息写入铁磁性材料层的磁化区或从其读取信息。

发明内容
这种电流感生磁畴壁运动磁存储器在保持信息和磁畴壁的稳定运动方面仍然存
在问题。为了容易移动磁畴壁，可以减小铁磁性材料层的厚度或者使用软磁材料作为铁磁
性材料层。然而，这种解决方案与信息的稳定保持相违背。再者，当磁畴壁在铁磁性材料层
中移动长距离时，磁畴壁之间的距离会发生变化，因此可能容易出现信息错误。 因此，期望提供一种包括磁畴壁运动磁存储器的信息存储元件，其中可以实现稳
定的磁畴壁运动并且可以可靠地执行信息的写入、保持以及读取，并且期望提供一种向该
信息存储元件写入信息并从其读取信息的方法。 根据本发明第一实施例或第二实施例的信息存储元件以及在根据本发明第一实 施例或第二实施例的信息读写方法中使用的信息存储元件，提供了一种信息存储元件，包 括带状铁磁性材料层(铁磁性记录层)；布置在所述铁磁性材料层的第一端处的第一电 极；以及布置在所述铁磁性材料层的第二端处的第二电极；其中通过在所述第一电极与所 述第二电极之间施加电流来产生电流感生磁畴壁运动，在所述铁磁性材料层中，磁化状态 被写入磁化区中作为信息或者磁化状态从磁化区被读取作为信息，各磁化区中的磁化方向 平行于所述铁磁性材料层的厚度的方向。 在根据本发明第一实施例的信息存储元件中，在读信息或写信息时，在所述铁磁
性材料层中产生从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布。 在根据本发明第二实施例的信息存储元件中，所述铁磁性材料层中的垂直磁各向
异性从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调增强。
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此外，在根据本发明第一实施例的信息存储元件的信息读写方法(以下称为"根据本发明第一实施例的信息读写方法")中，在读写信息时，在所述铁磁性材料层中产生从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布，以控制所述铁磁性材料层中的磁畴壁。 在根据本发明第二实施例的信息存储元件的信息读写方法(以下称为"根据本发
明第二实施例的信息读写方法")中，信息存储元件的铁磁性材料层中的垂直磁各向异性从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调增强，并且在读写信息时，升高所述铁磁性材料层的温度，以控制所述铁磁性材料层中的磁畴壁的位置。 在根据本发明第一和第二实施例的信息读写方法中，或者在根据本发明第一和第
二实施例的信息存储元件中，将磁化状态写入磁化区中作为信息。写入这种信息的方法取
决于第三电极的构造和结构，但是该方法的示例包括如下方法基于巨磁阻(GMR)效应或
隧道磁阻(TMR)效应，通过由于电流的施加而导致的自旋注入磁化反转(spin-injection
magnetization reversal)来写入信息的方法，和基于由电流产生的磁场来写入信息的方
法。从磁化区读取磁化状态作为信息。读取这种信息的方法的示例包括检测铁磁性材料
层的电阻值的高低的方法，和检测铁磁性材料层的磁场的方向的方法。 通常，在磁化区的磁化方向平行于铁磁性材料层的厚度的方向的情况下，S卩，在磁
化区被垂直磁化的情况下，当铁磁性材料层的温度升高从而降低垂直磁各向异性时，磁畴
壁容易移动。与之相对照的是，当铁磁性材料层的温度降低从而增强垂直磁各向异性时，磁
畴壁不容易移动。 在根据本发明第一实施例的信息存储元件和信息读写方法中，在读写信息时，产生从铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布。假设当铁磁性材料层的温度低于1VC时，磁畴壁不容易移动，当铁磁性材料层的温度等于或高于T。t:时，磁畴壁容易移动。在此，假设铁磁性材料层在距铁磁性材料层的第二端的距离为b的位置处的温度为T。。当在此状态下将信息写入铁磁性材料层中时，由通过提供从第一电极到第二电极的电流产生的自旋矩而导致的电流感生磁畴壁运动使作为写入的信息的向上磁化状态或向下磁化状态向第一端移动。当向上磁化状态或向下磁化状态经过距离k处的位置时，磁化状态的运动(磁畴壁的运动)停止，并且作为信息的磁化状态固定在位于距离k处的位置以外的区域中。随后，假设通过改变从铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布，铁磁性材料层在距铁磁性材料层的第二端的距离为L2( < L》的位置处的温度变成T。。当在此状态下将信息写入铁磁性材料层中并且磁化状态经过距离L2处的位置时，作为信息的磁化状态的运动(磁畴壁的运动)停止，并且作为信息的磁化状态固定在位于距离1^处的位置以外的区域中。这样，可以将作为信息的磁化状态可靠地写入并固定在铁磁性材料层中的期望位置(区域)处。 假设在读取信息时，铁磁性材料层在距铁磁性材料层的第二端的距离为L2的位置处的温度为T。。由于通过提供从第二电极到第一电极的电流而产生的电流感生磁畴壁运动，作为信息的磁化状态朝铁磁性材料层的第二端移动。然而，位于距离^以外的区域中的磁化状态不移动。这样，可以读取从铁磁性材料层的第二端到位于距离1^内的位置的范围的区域中的信息。随后，假设通过改变从铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布，铁磁性材料层在距铁磁性材料层的第二端的距离为( > L2)的位置处的温度变成T。。在此状态下，作为信息的磁化状态朝铁磁性材料层的第二端移动。然而，位于距离1^以外的区域中的磁化状态不移动。这样，可以可靠地读取位于铁磁性材料层中的期望位置(区域)处的作为信息的磁化状态。注意，在读取信息时，所存储的信息被破坏。因此，有必要在信息的读取完成之后将信息写入或转移到另一信息存储元件。该信息读写方法是所谓的顺序方法。 在根据本发明第二实施例的信息存储元件和信息读写方法中，在读写信息时，升高铁磁性材料层的温度。在此，假设铁磁性材料层的在距铁磁性材料层的第二端的距离为的位置处的垂直磁各向异性值由MAi表示，铁磁性材料层的在距铁磁性材料层的第二端的距离为L2( < L》的位置处的垂直磁各向异性值由MA2( < MA》表示。此外，在垂直磁各向异性值MAi下，假设当铁磁性材料层的温度等于或高于T/C时，磁畴壁容易移动。在垂直磁各向异性值M^下，假设当铁磁性材料层的温度等于或高于TVC (<1\)时，磁畴壁容易移动。 在写入信息时，假设铁磁性材料层的温度为1VC。当在此状态下将信息写入铁磁性材料层中时，由于通过施加从第一电极到第二电极的电流而产生的电流感生磁畴壁运动，作为信息的磁化状态朝铁磁性材料层的第一端移动。当磁化状态经过距离处的位置时，作为信息的磁化状态的运动(磁畴壁的运动)停止，并且作为信息的磁化状态固定在位于距离k处的位置以外的区域中。接着，将铁磁性材料层的温度降低到1VC。当在此状态下将信息写入铁磁性材料层中并且磁化状态经过距离L2处的位置时，作为信息的磁化状态的运动停止，并且作为信息的磁化状态固定在位于距离L2处的位置以外的区域中。这样，可以可靠地将作为信息的磁化状态写入并固定在铁磁性材料层中的期望位置(区域)处。
在读取信息时，假设铁磁性材料层的温度为T2°C。由于通过提供从第二电极到第一电极的电流而产生的电流感生磁畴壁运动，作为信息的磁化状态朝铁磁性材料层的第二端移动。然而，位于距铁磁性材料层的第二端的距离1^以外的区域中的磁化状态不移动。这样，可以读取从铁磁性材料层的第二端到位于距离L2内的位置的范围的区域中的信息。接着，将铁磁性材料层的温度升高到T/C 。在此状态下，作为信息的磁化状态朝铁磁性材料层的第二端移动。然而，位于距离^以外的区域中的磁化状态不移动。这样，可以可靠地读取铁磁性材料层中的期望位置(区域)处的磁化状态作为信息。注意，在读取信息时，所存储的信息被破坏。因此，有必要在信息的读取完成之后将信息写入或转移到另一信息存储元件。该信息读写方法是顺序方法。 因此，即使在铁磁性材料层中磁畴壁移动长距离时，也可以可靠地防止容易出现信息错误的问题的发生。结果，根据本发明实施例，可以在稳定地保持信息的同时可靠地执行信息的写入、记录和读取，并且可以在单个连续磁性元件中记录大量信息。因此，可以实现小型、重量轻并且廉价的信息存储单元。


图1A是示例1的信息存储元件的示意部分平面 图1B是示例1的信息存储元件的示意局部剖视图； 图2A，2B，2C，以及2E是信息存储元件的概念图，图解说明了向示例1的信息存储元件写入信息并从其读取信息的方法；
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图2D是示意性地示出铁磁性材料层的温度分布的曲线图； 图3A， 3B， 3D，以及3E从图2E继续，是信息存储元件的概念图，图解说明了向示例
1的信息存储元件写入信息并从其读取信息的方法； 图3C是示意性地示出铁磁性材料层的温度分布的曲线图； 图4A，4B，4D，以及4E从图3E继续，是信息存储元件的概念图，图解说明了向示例
1的信息存储元件写入信息并从其读取信息的方法； 图4C是示意性地示出铁磁性材料层的温度分布的曲线图； 图5是示出包括CoFeCrB合金层和GdFeCo合金层的层叠结构中垂直磁各向异性 与温度之间的关系的曲线图； 图6是示出施加给示例1的信息存储元件的第一电极和第三电极的电压模式的曲 线图； 图7是示出当将从示例1的信息存储元件的第三电极输出的电压的变化测量为再 现信号电压时的结果的曲线图； 图8A到8C是基板等的示意局部剖视图，图解说明了制造示例1的信息存储元件 的方法； 图9A和9B是示例2的信息存储元件的示意部分平面图；
图10是示例4的信息存储元件的示意局部剖视图； 图IIA， IIB， IIC，以及11E是信息存储元件的概念图，图解说明了向示例5的信息 存储元件写入信息并从其读取信息的方法； 图11D是示意性地示出铁磁性材料层的温度分布的曲线图； 图12A， 12B， 12D，以及12E从图IIE继续，是信息存储元件的概念图，图解说明了向
示例5的信息存储元件写入信息并从其读取信息的方法； 图12C是示意性地示出铁磁性材料层的温度分布的曲线图； 图13A， 13B， 13D，以及13E从图12E继续，是信息存储元件的概念图，图解说明了向
示例5的信息存储元件写入信息并从其读取信息的方法； 图13C是示意性地示出铁磁性材料层的温度分布的曲线图；以及 图14是示例1的信息存储元件的修改例的示意局部剖视图。
具体实施例方式
以下将基于示例参照附图对本发明进行描述。[关于根据本发明实施例的信息存储元件及其信息读写方法的总体描述] 在根据本发明第一实施例的信息存储元件或信息的读写方法和根据本发明第二
实施例的信息存储元件或信息的读写方法中，信息存储元件还可以包括与铁磁性材料层的
一部分相接触地布置的第三电极，第三电极包括与铁磁性材料层的所述部分相接触的非磁
性膜和布置在非磁性膜上的磁化基准层(也称为"固着层(pi皿ed layer)"或"磁化固着
层")，其中通过在第二电极与第三电极之间施加电流，可以将磁化状态作为信息写入每个
磁化区中。在此情况下，通过在第二电极与第三电极之间施加电流，可以从第三电极读取每
个磁化区中的电阻值作为信息。可以将第二电极与第三电极布置成相互面对并且铁磁性材
料层位于其间。可以将第二电极和第三电极布置在铁磁性材料层的同一侧或铁磁性材料层的不同侧。此外，在从铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布中，在较靠近第三电极的区域中温度的升高会较大。 在根据本发明第一和第二实施例的信息读写方法中，信息存储元件还可以包括与
铁磁性材料层的一部分相邻的磁场检测设备，并且可以通过该磁场检测设备来读取每个磁
化区中产生的磁场作为信息。该磁场检测设备的具体示例包括检测磁场的线圈和配线。可
以通过用作磁场检测设备的线圈或配线来读取每个磁化区中产生的磁场的方向作为信息。
作为替换选择，作为读取信息的方法，可以采用利用光磁效应(Kerr效应)的方法。 此外，在根据本发明第一实施例的信息存储元件或信息读写方法中，当沿与铁磁
性材料层的轴的方向垂直的虚拟平面切割铁磁性材料时该铁磁性材料层的横截面积可以在沿铁磁性材料层的轴的方向上变化，并且，在读或写信息时，通过在第一电极与第二电极之间施加电流，会在铁磁性材料层中产生温度分布。为了方便起见，将该构造称为"第一构造"。作为替换选择，铁磁性材料层的比电阻值可以在铁磁性材料层的轴的方向上变化，并且，在读或写信息时，通过在第一 电极与第二电极之间施加电流，会在铁磁性材料层中产生温度分布。为了方便起见，将该构造称为"第二构造"。作为替换选择，信息存储元件还可以包括温度控制装置，该温度控制装置被配置成改变铁磁性材料层沿铁磁性材料层的轴的方向的温度，该温度控制装置被布置在铁磁性材料层附近，其中，在读写信息时，可以通过温度控制装置在铁磁性材料层中产生温度分布。为了方便起见，将该构造称为"第三构造"。
可以通过设定铁磁性材料层的宽度、设定铁磁性材料层的厚度或者设定铁磁性材料层的宽度和厚度，来获得铁磁性材料层的横截面积在铁磁性材料层的轴的方向上的变化(具体来说，在该变化中，横截面积从铁磁性材料层的第二端到其第一端逐渐连续地或台阶式地增大)。可以根据信息存储元件的规格合适地确定横截面积沿铁磁性材料层的轴的方向上的变化量。例如，可以通过将氮离子或氧离子注入铁磁性材料层的期望部分或区域中，来改变比电阻值。可以根据信息存储元件的规格来合适地确定比电阻值的变化(具体来说，在该变化中，比电阻值从铁磁性材料层的第二端到其第一端连续地或台阶式地逐渐减小)。 温度控制装置的一个示例是用于加热铁磁性材料层的加热器。可以将这种加热器布置在铁磁性材料层附近。该加热器例如可以包括构图高电阻器层(patternedhigh-resistor layer)。构成高电阻器层的材料的示例包括诸如碳化硅(SiC)和碳氮化硅(SiCN)之类的基于碳的电阻器材料、基于氮化硅(SiN)的材料、诸如非晶硅的半导体电阻器材料、诸如氧化钌(Ru02)、氧化钽、氧化铬以及氧化钛之类的耐火金属氧化物、以及诸如氮化钽之类的耐火金属氮化物。温度控制装置的另一示例是用于加热铁磁性材料层的激光束。作为替换选择，可以改变铁磁性材料层周围的热导。S卩，可以改变围绕铁磁性材料层的区域的热导率。具体来说，例如，可以设置热沉。在这种实施例中，热沉对应于温度控制装置。 在根据本发明第二实施例的信息存储元件或信息读写方法中，垂直磁各向异性可以在较靠近第三电极的区域中较小。 在根据本发明第一实施例的信息存储元件或信息读写方法中，可以由通过在第一电极与第二电极之间施加电流而产生的焦耳热来在铁磁性材料层中产生温度分布。在此情况下，在第一 电极与第二电极之间施加的电流值可以台阶式地或连续地变化。
在根据本发明第二实施例的信息存储元件或信息读写方法中，可以由通过在第一
电极与第二电极之间施加电流而产生的焦耳热来升高铁磁性材料层的温度。 在根据本发明第一实施例的信息存储元件或信息读写方法中，当将待存储的信息
的比特数表示为N时，生成不同的温度分布N次。在根据本发明第二实施例的信息存储元
件或信息读写方法中，当将待存储的信息的比特数表示为N时，生成不同的温度升高N次。
可以根据信息存储元件的规格合适地确定温度分布或温度的升高。 铁磁性材料层的平面形状是带(条)状就可以了。铁磁性材料层的平面形状可以是直线形或曲线形。铁磁性材料层可以具有三维形状，如"U字"形，或诸如"Y字"形的分叉形。 作为构成铁磁性材料层(铁磁性记录层)的材料，优选地使用具有高自旋矩效率的材料，以利用小电流来移动磁畴壁。其具体示例包括其中将钆(Gd)加入诸如镍(Ni)、铁(Fe)或钴(Co)之类的铁磁性材料的合金(如Co-Fe， Co-Fe-Ni，或Ni_Fe)中的合金。此外，为了进一步增强垂直磁各向异性，可以将诸如铽(Tb)，镝(Dy)，或钬(Ho)之类的重稀土元素加入这种合金，或者可以层叠包括含有这种重稀土元素的合金的膜。铁磁性材料层的结晶性是可选的，铁磁性材料层可以包括多晶体或单晶体或者可以是非晶的。铁磁性材料层可以具有单层结构、其中如上所述地层叠有多个不同铁磁性材料层的叠层结构、或其中
层叠有铁磁性材料层和非磁性材料层的叠层结构。 铁磁性材料层可以通过诸如溅射方法、离子束淀积方法或真空淀积方法之类的物理汽相淀积(PVD)方法或诸如原子层淀积(ALD)方法之类的化学汽相淀积(CVD)方法来形成。铁磁性材料层的构图可以通过反应性离子刻蚀(RIE)方法或离子铣削方法(ionmilling method)(离子束刻蚀方法)来执行。 在根据本发明第二实施例的信息存储元件或信息读写方法中，从铁磁性材料层的第二端到其第一端单调地增强铁磁性材料层中的垂直磁各向异性的方法的示例包括如下方法通过例如将离子注入铁磁性材料层中来形成组分分布的方法，和通过使用激光束等的局部加热方法来形成铁磁性材料层的晶体性的分布的方法。 第一电极和第二电极中的每一个可以具有包括例如Cu，Au，Pt，或Ti的单层结构，或者具有层叠结构，该层叠结构包括含有例如Cr或Ti的基层和布置在该基层上的Cu层、Au层、Pt层等。作为替换选择，第一电极和第二电极中的每一个可以具有包括例如W， Ru，或Ta的单层结构，或者包括W， Ru，或Ta层和Cu， Cr，或Ti层的层叠结构。这些电极例如可以通过诸如溅射方法的PVD方法来形成。 第三电极和铁磁性材料层构成具有TMR效应或GMR效应的信息记录结构。在此，具有TMR效应并且包括磁化基准层、非磁性膜以及铁磁性材料层的信息记录结构是指其中充当隧道绝缘膜的非磁性膜被夹在磁化基准层与铁磁性材料层之间的结构。包括在第三电极中的磁化基准层的材料的示例包括构成铁磁性材料层的上述材料。磁化基准层可以具有包含层叠的铁结构(具有反铁磁耦合的层叠结构，也称为合成反铁磁体(SAF))的构造或包含静磁耦合结构的构造。层叠铁结构是如下结构其例如具有磁性材料层/钌(Ru)层/磁性材料层的三层结构(具体来说，例如，CoFe/Ru/CoFe的三层结构或CoFeB/Ru/CoFeB的三层结构)，其中两个磁性材料层之间的层间交换耦合根据钌层的厚度而变成反铁磁性的或铁磁性的。例如在S. S. Parkin et al. ，PhysicalReview Letters, 7May， pp. 2304-2307 (1990)中报道了这种结构。其中两个磁性材料层之间的层间交换耦合变成反铁磁性的结构称为 "层叠铁结构"。另一方面，其中通过来自两个磁性材料层的端面的泄漏磁场而获得反铁磁 耦合的结构称为"静磁耦合结构"。包括在第三电极中的非磁性膜的材料的示例包括诸如 氧化镁(MgO)、氮化镁、氧化铝(A10》、氮化铝(A1N)、氧化硅、氮化硅、Ti02， Cr203， Ge， NiO， CdOx， Hf02， Ta205， BN，以及ZnS之类的绝缘材料。另一方面，构成具有GMR效应的信息记录 结构的非磁性膜的材料的示例包括诸如Cu， Ru， Cr， Au， Ag， Pt，以及Ta及其合金之类的导 电材料。非磁性膜可以包括任何非金属材料，只要该材料具有高电导率(几百P Q ，cm或 更小的电阻率)。然而，优选的是，不容易导致与铁磁性材料层或磁化基准层之间的界面反 应的材料适合被选为非磁性膜的材料。 例如通过对采用溅射方法形成的金属膜进行氧化或氮化来获得包括绝缘材料的 非磁性膜。更具体来说，在使用氧化铝(A10x)或氧化镁(MgO)作为构成非磁性膜的绝缘 材料的情况下，形成非磁性膜的方法的示例包括在大气中对采用溅射方法淀积的铝或镁 进行氧化的方法、对采用溅射方法淀积的铝或镁进行等离子氧化的方法、对采用溅射方法 淀积的铝或镁进行ICP等离子氧化的方法、在氧气中对采用溅射方法淀积的铝或镁进行自 然氧化的方法、在氧基(oxygen radicals)中对采用溅射方法淀积的铝或镁进行氧化的方 法、在照射紫外线的同时在氧气中对采用溅射方法淀积的铝或镁进行自然氧化的方法、通 过反应性溅射方法对铝或镁进行淀积的方法、以及通过溅射方法对氧化铝(A10x)或氧化镁 (MgO)进行淀积的方法。
示仔lj 1 示例1涉及根据本发明第一实施例的信息存储元件和根据本发明第一实施例的 信息存储元件的信息读写方法。更具体来说，示例l涉及第一构造。 图1A是示例1的信息存储元件的示意部分平面图，图IB是沿图1A的线IB-IB所 截取的示意局部剖视图。如图1A和1B所示，示例1的信息存储元件IOO包括带状铁磁性 材料层(铁磁性记录层)lll。在铁磁性材料层111的一端(以下称为"第一端")设置有 第一电极121，在铁磁性材料层111的另一端(以下称为"第二端")设置有第二电极122。 在示例1的信息存储元件100中，发生由于在第一电极121与第二电极122之间施加电流 而导致的电流感生磁畴壁运动。在此，将在第一电极121与第二电极122之间施加的电流 称为"磁畴壁移动电流"。在铁磁性材料层111中，将磁化状态作为信息写入磁化区112中 或者从磁化区112读取磁化状态作为信息。此外，各磁化区112中的磁化方向平行于铁磁 性材料层111的厚度方向。标号113表示作为磁化区112之间的边界(界面)的磁畴壁。 在图IA中，略去了层间绝缘层114。标号124表示设置在层间绝缘层114上并连接到第三 电极123的配线。在图1A和1B所示的信息存储元件100中，将第一电极121和第二电极 122设置在铁磁性材料层111的下方，将第三电极123设置在铁磁性材料层111上。作为替 换选择，可以将第一电极121和第二电极122设置在铁磁性材料层111上，将第三电极123 设置在铁磁性材料层111的下方。 示例1的信息存储元件100还包括与铁磁性材料层111的一部分相接触地设置的 第三电极123。第三电极123被布置成面对第二电极122并且铁磁性材料层111在其之间。 第三电极123包括与铁磁性材料层111的所述部分相接触的非磁性膜123A和布置在该非 磁性膜123A上的磁化基准层123B。磁化基准层123B充当用于确定要记录在磁化区112中
11的磁化的方向的标准磁化层。通过在第二电极122与第三电极123之间施加电流，将磁化 状态写入每个磁化区112中。此外，通过在第二电极122与第三电极123之间施加电流，从 第三电极123读取各磁化区112中的电阻值(电阻值的高低)作为信息。第三电极123和 铁磁性材料层111构成具有TMR效应的信息记录结构。通过由于电流导致的自旋注入磁化 反转(spin-injection m卿etizationreversal)以形成磁畴壁113，来形成磁化区112，从 而将信息写入铁磁性材料层111。具体来说，在铁磁性材料层111中，根据电流流动的方向， 将铁磁性材料层111的磁化方向改变成与磁化基准层123B的磁化方向相平行或反平行的 方向。 在示例1中，在读或写信息时，会在铁磁性材料层111中产生从铁磁性材料层111 的第二端到其第一端单调降低的温度分布。因此，铁磁性材料层111中的磁畴壁113的位置 受到控制。具体来说，当沿与铁磁性材料层111的轴的方向相垂直的虚拟平面切割铁磁性 材料层111时铁磁性材料层111的横截面积在铁磁性材料层111的轴的方向上变化。更具 体来说，铁磁性材料层111的横截面积变化，从而从第二端到第一端逐渐且连续增大。艮P， 铁磁性材料层111的横截面积朝着第一电极121增大。根据该结构，在读或写信息时，可以 通过在读或写信息时在第一电极121与第二电极122之间施加电流来在铁磁性材料层111 中产生温度分布。具体来说，该结构可以形成其中铁磁性材料层111的温度朝着第一电极 121降低的状态。 在示例1中，带状铁磁性材料层111具有包括Ta基层(厚度2nm) 、 TbCo合金层 (厚度2nm)、GdFeCo合金层(厚度8nm)以及CoFeCrB合金层(厚度2nm)的层叠结构。铁磁 性材料层111的宽度从第二电极122侧向第一电极121侧逐渐变化，具体来说，从O. 10 ym 变化到O. 15iim。第一电极121与第二电极122之间的距离是1.3iim。第一电极121与第 二电极122之间的铁磁性材料层111的电阻值是820 Q 。图5示出了包括CoFeCrB合金层 和GdFeCo合金层的层叠结构中垂直磁各向异性与温度之间的关系。垂直磁各向异性在低 于15(TC的温度范围中降低，在等于或高于15(TC的温度处变成基本上恒定。包括在第三电 极123中的非磁性膜123A包括厚度为0. 8nm的Mg0层。包括在第三电极123中的磁化基 准层123B由包括CoFeB合金层(厚度lnm)和TbCo合金层(厚度20nm)的层叠膜构成。 第一电极121和第二电极122中的每一个包括钛层。例如，第一电极121连接到驱动电源 (未示出)，第二电极122接地。第三电极123和铁磁性材料层111可以构成具有GMR效应 的信息记录结构。在这种情况下，非磁性膜123A可以例如包括Cu。 现在将参照图2A到2E、图3A到3E以及图4A到4E描述示例1的信息存储元件的 信息读写方法，这些图都是信息存储元件100的概念图。示例1中的信息读写方法是所谓 的顺序方法。 在图2A到2E、图3A到3E以及图4A到4E和下述图11A至lj 11E、图12A至lj 12E以及 图13A到13E中，在铁磁性材料层111内部绘制的箭头表示磁化方向。为了方便起见，假设 向上箭头代表信息"0"，向下箭头代表信息"l"。在第三电极123内部绘制的箭头表示磁化 基准层123B中的磁化方向。当从第三电极123向第二电极122供应电流时，信息"0"(向 上箭头)被写入铁磁性材料层111的一部分中，该部分面对第三电极123。另一方面，当从 第二电极122向第三电极123供应电流时，信息"1"(向下箭头)被写入铁磁性材料层111 的面对第三电极123的所述部分中。假设当铁磁性材料层111的温度低于T。t:时，磁畴壁不容易移动，当铁磁性材料层in的温度等于或高于ivc时，磁畴壁容易移动。 首先，假设在图2A所示的状态下信息"O"被写入铁磁性材料层111中作为第一比特。在图2A或下述图IIA所示的状态下，先前的信息会留在铁磁性材料层111或511中，但是在图中未示出这种信息。可以通过从外部向铁磁性材料层111或511施加磁场，对铁磁性材料层111或511的磁化方向进行初始化。 在此情况下，如图2B所示，通过向第三电极123施加电压+V,，提供从第三电极123到第二电极122的电流。因此，信息"0"(向上箭头)被写入铁磁性材料层111的面对第三电极123的部分。 在以上施加电压的同时或者紧接在此后，如图2C所示，通过向第一电极121施加电压+￥ 11，提供从第一电极121到第二电极122的磁畴壁移动电流。结果，在铁磁性材料层111内部产生了焦耳热，并且由所产生的焦耳热在铁磁性材料层111中产生了温度分布，在该温度分布中，在第二电极122侧温度高，在第一电极121侧温度低(见图2D)。注意，该温度分布被产生为使得在距第二电极122的距离为的位置处铁磁性材料层111的温度为T。。此外，通过提供从第一电极121到第二电极122的磁畴壁移动电流，会出现电流感生磁畴壁运动。具体来说，磁化状态从左向右移动(传播)。即，磁畴壁向右移动。当磁畴壁经过距离处的位置时，磁畴壁的运动停止。然后暂时停止对第一电极121和第三电极123施加电压(见图2E)。这样，信息"O"被写入铁磁性材料层111的区域中，该区域位于距第二电极122的距离为的位置以外。 接下来，假设信息"l"被写入铁磁性材料层111中。在此情况下，如图3A所示，通过对第三电极123施加电压-V,，提供从第二电极122到第三电极123的电流。因此，信息"1"(向下箭头)被写入铁磁性材料层111的面对第三电极123的部分中。
在上述施加电压的同时或者紧接在此之后，如图3B所示，通过向第一电极121施加电压+Vm2( < +Vml)，提供从第一电极121到第二电极122的磁畴壁移动电流。结果，如在上述情况中那样，由所产生的焦耳热在铁磁性材料层111中产生了温度分布，在该温度分布中，在第二电极122侧温度高，在第一电极121侧温度低。在此步骤中，该温度分布被产生为使得在距第二电极122的距离为L2 ( < L》的位置处铁磁性材料层111的温度为T。(见图3C)。此外，出现电流感生磁畴壁运动。具体来说，磁化状态从左向右移动(传播)(见图3B)。即，磁畴壁向右移动。当磁畴壁经过距离L2处的位置时，磁畴壁的运动停止(见图3D)。然后暂时停止对第一电极121和第三电极123施加电压(见图3E)。这样，信息"l"被写入铁磁性材料层111的区域中，该区域位于距第二电极122的距离为L2的位置以外。即，在此状态下，将两条信息(O，l)写入了铁磁性材料层111中。 接下来，假设将信息"O"写入铁磁性材料层111中。在此情况下，如图4A所示，通过对第三电极123施加电压+￥,，提供从第三电极123到第二电极122的电流。因此，信息"0"(向上箭头)被写入铁磁性材料层111的面对第三电极123的部分中。
在上述施加电压的同时或者紧接在此之后，如图4B所示，通过向第一 电极121施加电压+Vm3( < +Vm2)，提供从第一电极121到第二电极122的磁畴壁移动电流。结果，如在上述情况中那样，由所产生的焦耳热在铁磁性材料层111中产生了温度分布，在该温度分布中，在第二电极122侧温度高，在第一电极121侧温度低。在此步骤中，该温度分布被产生为使得在距第二电极122的距离为L3( < L2)的位置处铁磁性材料层111的温度为T。(见图4C)。此外，出现电流感生磁畴壁运动。具体来说，磁化状态从左向右移动(传播)(见图4B)。即，磁畴壁向右移动。当磁畴壁经过距离L3处的位置时，磁畴壁的运动停止(见图4D)。然后暂时停止对第一电极121和第三电极123施加电压(见图4E)。这样，信息"0"被写入铁磁性材料层111的区域中，该区域位于距第二电极122的距离为L3的位置以外。即，在此状态下，将三条信息(O，l，O)写入了铁磁性材料层111中。 通过在通过提供从第一电极121到第二电极122的磁畴壁移动电流而移动磁畴壁113的同时对磁畴壁移动电流的值进行控制，可以将信息顺序地写入铁磁性材料层111中。
通过接连重复这种操作总共N次，可以将N比特的信息写入铁磁性材料层111中。
当读取铁磁性材料层111中写有的信息时，提供从第二电极122到第一电极121的磁畴壁移动电流。结果，产生了焦耳热，从而在铁磁性材料层lll中产生了温度分布。注意，该磁畴壁移动电流被提供为使得在距铁磁性材料层的第二端的距离为L3的位置处铁磁性材料层的温度为T。。此外，磁畴壁113向铁磁性材料层111的第二端移动。然而，位于距离L3以外的区域中的磁化状态不移动。随后，提供从第三电极123到第二电极122的电流，以检查磁化区112的电阻值的高低。这样，可以确定所写入的信息是〃 0〃还是〃 1〃 。在此，当铁磁性材料层111的磁化方向与磁化基准层123B的磁化方向相同时，电阻值低。当铁磁性材料层111的磁化方向与磁化基准层123B的磁化方向反平行时，电阻值高。这样，可以读取从铁磁性材料层111的第二端到位于距离L3内的位置的范围的区域中的信息。接着，增大从第二电极122到第一电极121提供的磁畴壁移动电流的值。假设结果铁磁性材料层在距铁磁性材料层的第二端的距离为!^OL》的位置处的温度变成T。。在此状态下，作为信息的磁化状态向铁磁性材料层111的第二端移动。然而，位于距离1^以外的区域中的磁化状态并不移动。此外，增大从第二电极122到第一电极121提供的磁畴壁移动电流的值。假设结果铁磁性材料层在距铁磁性材料层的第二端的距离为bOL》的位置处的温度变成T。。在此状态下，作为信息的磁化状态向铁磁性材料层111的第二端移动。然而，位于距离1^以外的区域中的磁化状态并不移动。这样，可以可靠地读取铁磁性材料层中的期望位置(区域)处的磁化状态作为信息。 对示例1的信息存储元件的第一电极121施加图6所示的电压+Vm。随时间将电压+Vm从3. 0伏特降低到1. 0伏特。此外，对第三电极123交替施加图6所示的电压+Vm(=l.O伏特)和电压-Vm(二-1.0伏特)。这样，将信息写入信息存储元件的铁磁性材料层lll中。随后，读取信息存储元件的铁磁性材料层lll中写有的信息。具体来说，对第一电极121施加电压-Vm。随时间将电压-Vm从-1.0伏特改变到-3.0伏特。测量当对第三电极123施加0. 1毫安的恒定电流时从第三电极123输出的电压的变化，作为再现信号电压。图7示出了结果。图7示出了读取信息时的再现信号电压与对第一电极121施加的电压的绝对值之间的关系。图7还示出了在写入信息时对第三电极123施加的电压。确认了当对第一电极121施加1. 5到2. 2伏特的范围内的电压时，执行了对信息的读和写。因此，通过优化施加给第一电极121的电压、铁磁性材料层111的尺寸等，可以将更大量的信息存储在铁磁性材料层111中，以实现高密度记录。 现在将参照图8A到8C描述制造示例1的信息存储元件100的方法的概要，图8A到8C是基板等的示意局部剖视图。
[步骤100]
首先，在由硅半导体基板构成的基板110中形成第一电极121和第二电极122。可 以将第一电极121和第二电极122形成在基板110上。然而，优选的是，基板110与第一电 极121之间和基板110与第二电极122之间的高度差很小，以不妨碍磁畴壁113的运动。为 此，理想的是将第一电极121和第二电极122形成为嵌入在基板110中。具体来说，通过光 刻技术和刻蚀技术在基板110中形成沟部。随后，通过溅射方法在基板110的整个表面上 形成Ti层。随后，通过例如CMP方法去除设置在基板110的表面上的Ti层，从而将第一电 极121和第二电极122留在沟部中。这样，如图8A所示，可以将第一电极121和第二电极 122形成在基板110中。经由设置在基板110上的配线(未示出)将第一电极121连接到 驱动电源(未示出)。经由设置在基板110上的配线(未示出)将第二电极122接地。
[步骤110] 接着，通过溅射方法在基板110的整个表面上形成铁磁性材料层。然后对该铁磁 性材料层进行构图以形成带状铁磁性材料层111 (见图8B)。可以通过离子铣削方法、反应 性刻蚀方法等对铁磁性材料层111执行构图。作为替换选择，可以使用剥离(lift-off)法。
[步骤120] 随后，形成第三电极123。具体来说，通过溅射方法和氧化方法在整个表面上形成 非磁性膜123A，并通过溅射方法进一步形成磁化基准层123B。然后通过离子铣削方法、反 应性刻蚀方法等对非磁性膜123A和磁化基准层123B进行构图(见图8C)。
[步骤130] 随后，通过例如CVD方法在整个表面上形成包括绝缘材料的层间绝缘层114。然 后在层间绝缘层114的一部分中形成开口，该部分位于第三电极123上。然后在层间绝缘 层114上，包括开口的内部，形成配线124。这样，可以制造出图1A和1B所示的示例1的信 息存储元件100。构成层间绝缘层114的材料的示例包括诸如Si02的Si0y材料(构成氧 化硅膜的材料)、非掺杂硅酸盐玻璃(NSG)、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)、PSG， BSG， AsSG， SbSG 以及旋涂玻璃(spin-on-glass) (S0G) ;SiN ;SiON ;SiOC ;SiOF ;SiCN ;低介电常数绝缘材料 (如碳氟化合物、环全氟碳聚合物(cycloperfluorocarbon polymers)、苯并环丁烯、环氟碳 树脂、聚四氟乙烯、非晶四氟乙烯、氟化芳醚、氟化聚酰亚胺、非晶碳、有机SOG、聚对二甲苯 以及氟化福勒烯)；聚酰亚胺树脂；碳氟树脂；Silk(商标，由Dow化学公司制造的涂敷型低 介电常数层间绝缘膜材料)以及Flare (商标，由Honeywell电子材料公司制造的聚烯丙醚 (polyallylether)(PAE))。 根据示例1的信息存储元件100，即使磁畴壁113在铁磁性材料层111中移动长距 离，也可以可靠防止出现容易发生信息错误的问题。因此，可以在稳定地保持信息的同时可 靠地执行信息的写入、记录和读取，并且可以在单个连续磁性元件中记录大量信息。因此， 可以实现小型、重量轻并且廉价的信息存储单元。
示例2 示例2是示例1的修改例。图9A和9B是示例2的信息存储元件200的示意部分 平面图。在图9A所示的信息存储元件200中，三个信息存储元件200共享一个第二电极 222。另一方面，在图9B所示的信息存储元件200中，三个信息存储元件200共享一个第一 电极221。示例2的信息存储元件200的构造和结构可以与示例1的信息存储元件100的 相同，因此略去对其的详细描述。在示例2的信息存储元件200和下述示例的信息存储元件中，由具有与构成示例1的信息存储元件100的组件的最后两位数字相同的最后两位数 字的标号表示的组件与示例1的信息存储元件100的对应组件相同。
示例3 示例3也是示例1的修改例，但是涉及第二构造。在示例3的信息存储元件中，铁 磁性材料层(铁磁性记录层)的比电阻值在铁磁性材料层的轴的方向上变化。具体来说，铁 磁性材料层的比电阻值从铁磁性材料层的第二端到其第一端按台阶方式逐渐降低。因此， 在读写信息时，可以通过在第一电极与第二电极之间施加电流来产生温度分布。可以例如 通过将氮离子或氧离子注入铁磁性材料层的期望部分或区域中来改变比电阻值。示例3的 信息存储元件的构造和结构可以与示例1的信息存储元件100的相同，因此略去对其的详 细描述。 在示例3中，当提供从第一电极到第二电极的磁畴壁移动电流时或者当施加从第 二电极到第一电极的磁畴壁移动电流时，会在铁磁性材料层内部产生焦耳热。结果，会由于 所产生的焦耳热而在铁磁性材料层中产生温度分布，在该温度分布中，在第二电极侧温度 高，在第一电极侧温度低。示例3的信息存储元件的信息读写方法可以与示例1的信息存 储元件的信息读写方法基本上相同，因此略去对其的详细描述。 在示例3中，如在示例1中的描述那样，铁磁性材料层的横截面积可以变化。此外， 可以将示例2中描述的信息存储元件的构造应用于示例3的信息存储元件。
示例4 示例4也是示例1的修改例，但是涉及第三构造。图10是示例4的信息存储元件 400的示意局部剖视图。如图10所示，在铁磁性材料层411附近布置有被配置成改变铁磁 性材料层411在铁磁性材料层411的轴的方向上的温度的温度控制装置440。通过按此方 式设置温度控制装置440，在读或写信息时，会由温度控制装置440在铁磁性材料层(铁磁 性记录层)411中产生温度分布。 如图10的示意局部剖视图所示，在示例4中，温度控制装置440包括用于改变铁 磁性材料层411周围的区域的热导率的热沉。更具体来说，在铁磁性材料层411上设置有 层间绝缘层414。在层间绝缘层414的一部分(该部分被布置在铁磁性材料层411的上部 上)中设置有凹部。将具有带状并且包括铜(Cu)层的温度控制装置440设置在包括所述 凹部的层间绝缘层414上，以使其平行于铁磁性材料层411。从铁磁性材料层411的顶面 到温度控制装置440的底面的距离从铁磁性材料层411的第二端向其第一端逐渐且连续减 小。作为替换选择，该距离可以按台阶方式逐渐减小。这样，铁磁性材料层411的温度在铁 磁性材料层411的轴的方向上改变。将具有不同温度的铁磁性材料层411的区域分成多个 组，组的数量是要存储在铁磁性材料层411中的信息的条数(比特数量)。除了这一点以 外，示例4的信息存储元件400的构造和结构可以与示例1的信息存储元件100的相同，因 此略去对其的详细描述。作为温度控制装置440，可以设置加热器或者使用激光束来加热铁 磁性材料层411，而不是设置热沉。 在示例4中，当提供从第一电极421到第二电极422的磁畴壁移动电流时或者当 提供从第二电极422到第一电极421的磁畴壁移动电流时，会在铁磁性材料层411内部产 生焦耳热。结果，会由于所产生的焦耳热而在铁磁性材料层411中产生温度分布，在该温度 分布中，在第二电极422侧温度高，在第一电极421侧温度低。示例4的信息存储元件的信息读写方法可以与示例1的信息存储元件的信息读写方法基本上相同，因此略去对其的详 细描述。 在示例4中，如在示例1中的描述那样，铁磁性材料层的横截面积可以变化。此外， 可以将示例2中描述的信息存储元件的构造应用于示例4的信息存储元件。此外，可以将 示例3中描述的信息存储元件的构造应用于示例4的信息存储元件，或者可以将示例1中 描述的信息存储元件的构造与示例3中描述的信息存储元件的构造的组合应用于示例4的 信息存储元件。
示例5 示例5涉及根据本发明第二实施例的信息存储元件和根据本发明第二实施例的 信息存储元件的信息读写方法。 在示例5的信息存储元件500中，铁磁性材料层(铁磁性记录层)511中的垂直磁 各向异性从铁磁性材料层511的第二端向其第一端单调增强。此外，铁磁性材料层511的 较靠近第三电极523的区域具有较小的垂直磁各向异性。在示例5的信息读写方法中，在 读或写信息时，通过升高铁磁性材料层511的温度来控制铁磁性材料层511中的磁畴壁的 位置。在示例5中，由通过在第一电极521与第二电极522之间施加电流而产生的焦耳热 来升高铁磁性材料层511的温度。在示例5中，台阶式地改变在第一电极521与第二电极 522之间施加的电流值。 为了从铁磁性材料层511的第二端到其第一端单调地增强铁磁性材料层511中的 垂直磁各向异性，通过例如将诸如Tb离子(其会增强垂直磁各向异性)的离子，或者氧离 子或氮离子(其会减弱垂直磁各向异性)注入铁磁性材料层511中，来形成组分分布。为 了注入离子使得存在离子含量梯度，例如，可以使用光刻胶等在信息存储元件的一端形成 遮蔽墙状的图案，然后可以使用该图案作为遮蔽物从斜方向注入离子。这样，可以形成组分 分布。作为替换选择，可以通过使用激光束等的局部加热方法来形成铁磁性材料层511的 晶体性分布。铁磁性材料层511由其垂直磁各向异性具有梯度的材料构成，该材料是通过 采用上述方法将氧离子从斜方向注入TbGdFeCo中以形成氧含量分布而制备的。
除了上述的点以外，示例5的信息存储元件500的构造和结构可以与示例1的信 息存储元件100的基本上相同，因此略去对其的详细描述。 现在将参照图11A到IIE、图12A到12E以及图13A到13E描述示例5的信息存储 元件的信息读写方法，这些图都是信息存储元件500的概念图。示例5中的信息读写方法 也是顺序方法。 假设铁磁性材料层511的在距铁磁性材料层511的第二端的距离为的位置处的 垂直磁各向异性值由M^表示，铁磁性材料层511的在距铁磁性材料层511的第二端的距离 为L2 ( < L》的位置处的垂直磁各向异性值由MA2 ( < MA》表示，铁磁性材料层511的在距铁 磁性材料层511的第二端的距离为L3( < L2)的位置处的垂直磁各向异性值由MA3( < MA2) 表示。此外，在垂直磁各向异性值M^下，当铁磁性材料层511的温度等于或高于1VC时， 磁畴壁容易移动。在垂直磁各向异性值區2下，假设当铁磁性材料层511的温度等于或高于 T2°C (<1\)时，磁畴壁容易移动。此外，在垂直磁各向异性值區3下，假设当铁磁性材料层 511的温度等于或高于T3°C ( < T2)时，磁畴壁容易移动。 首先，假设在图11A所示的状态下，将信息"0"写入铁磁性材料层511中作为第一比特。在此情况下，如图11B所示，通过对第三电极523施加电压+V,，提供从第三电极523 到第二电极522的电流。因此，信息"0"(向上箭头)被写入铁磁性材料层511的面对第三 电极523的部分中。 在上述施加电压的同时或者紧接在此之后，如图11C所示，通过向第一 电极521施 加电压+￥ 11，提供从第一电极521到第二电极522的磁畴壁移动电流。结果，在铁磁性材料 层511内部产生了焦耳热，并且由所产生的焦耳热将铁磁性材料层511的温度升高到1\ (见 图11D)。此外，通过提供从第一电极521到第二电极522的磁畴壁移动电流，会出现电流感 生磁畴壁运动。具体来说，磁化状态从左向右移动(传播)。即，磁畴壁向右移动。当磁畴 壁经过距离处的位置时，磁畴壁的运动停止。然后暂时停止对第一电极521和第三电极 523施加电压(见图IIE)。这样，信息"0"被写入铁磁性材料层511的区域中，该区域位于 距第二电极522的距离为的位置以外。 接下来，假设信息"l"被写入铁磁性材料层511中。在此情况下，如图12A所示， 通过对第三电极523施加电压-V,，提供从第二电极522到第三电极523的电流。因此，信 息"l"(向下箭头)被写入铁磁性材料层511的面对第三电极523的部分中。
在上述施加电压的同时或者紧接在此之后，如图12B所示，通过向第一 电极521施 加电压+Vm2( < +Vml)，提供从第一电极521到第二电极522的磁畴壁移动电流。结果，如在 上述情况中那样，由所产生的焦耳热使铁磁性材料层511的温度变成T2(见图12C)。此外， 出现电流感生磁畴壁运动。具体来说，磁化状态从左向右移动(传播)(见图12B)。 S卩，磁 畴壁向右移动。当磁畴壁经过距离1^处的位置时，磁畴壁的运动停止(见图12D)。然后暂 时停止对第一电极521和第三电极523施加电压(见图12E)。这样，信息"1"被写入铁磁 性材料层511的区域中，该区域位于距第二电极522的距离为L2的位置以外。S卩，在此状 态下，将两条信息(O，l)写入了铁磁性材料层511中。 接下来，假设将信息"O"写入铁磁性材料层511中。在此情况下，如图13A所示， 通过对第三电极523施加电压+￥,，提供从第三电极523到第二电极522的电流。因此，信 息"0"(向上箭头)被写入铁磁性材料层511的面对第三电极523的部分中。
在上述施加电压的同时或者紧接在此之后，如图13B所示，通过向第一 电极521施 加电压+Vm3( < +Vm2)，提供从第一电极521到第二电极522的磁畴壁移动电流。结果，如在 上述情况中那样，由所产生的焦耳热使铁磁性材料层511的温度变成T3(见图13C)。此外， 出现电流感生磁畴壁运动。具体来说，磁化状态从左向右移动(传播)(见图13B)。 S卩，磁 畴壁向右移动。当磁畴壁经过距离1^处的位置时，磁畴壁的运动停止(见图13D)。然后暂 时停止对第一电极521和第三电极523施加电压(见图13E)。这样，信息"0"被写入铁磁 性材料层511的区域中，该区域位于距第二电极522的距离为L3的位置以外。S卩，在此状 态下，将三条信息(O，l，O)写入了铁磁性材料层511中。 通过在通过提供从第一电极521到第二电极522的磁畴壁移动电流而移动磁畴壁 513的同时对磁畴壁移动电流的值进行控制，可以将信息顺序地写入铁磁性材料层511中。
通过接连重复这种操作总共N次，可以将N比特的信息写入铁磁性材料层511中。
当读取铁磁性材料层511中写有的信息时，提供从第二电极522到第一电极521 的磁畴壁移动电流。结果，产生了焦耳热，从而将铁磁性材料层511的温度升高到l。此 外，磁畴壁513朝铁磁性材料层511的第二端移动。然而，位于距离1^以外的区域中的磁化状态并不移动。随后，提供从第三电极523到第二电极522的电流，以检查磁化区512的 电阻值的高低。这样，可以确定所写入的信息是〃 0〃还是〃 1〃 。在此，当铁磁性材料层 511的磁化方向与磁化基准层523B的磁化方向相同时，电阻值低。当铁磁性材料层511的 磁化方向与磁化基准层523B的磁化方向反平行时，电阻值高。这样，可以读取从铁磁性材 料层511的第二端到位于距离L3内的位置的范围的区域中的信息。接着，增大从第二电极 522到第一电极521提供的磁畴壁移动电流的值。假设结果铁磁性材料层511的温度变成 T2。在此状态下，作为信息的磁化状态向铁磁性材料层511的第二端移动。然而，位于距离 L2以外的区域中的磁化状态并不移动。这样，可以可靠地读取铁磁性材料层511中的期望 位置(区域)处的磁化状态作为信息。此外，增大从第二电极522到第一电极521提供的 磁畴壁移动电流的值。假设结果铁磁性材料层511的温度变成1\。在此状态下，作为信息 的磁化状态向铁磁性材料层511的第二端移动。然而，位于距离1^以外的区域中的磁化状 态并不移动。这样，可以可靠地读取铁磁性材料层511中的期望位置(区域)处的磁化状 态作为信息。 已经基于优选示例描述了本发明，但是本发明并不限于这些示例。示例中所描述 的信息存储元件的构造、结构、材料以及制造方法仅仅是例示性的，并且可以合适地改变。 作为替换方式，作为从铁磁性材料层(铁磁性记录层)读取信息的方法，可以采用通过检测 铁磁性材料层中的磁场的方向来读取信息的方法。在这种情况下，磁场检测设备的具体示 例包括线圈和配线。 图14是示例1的信息存储元件的修改例的示意局部剖视图。如图14所示，信息存 储元件600中的带状铁磁性材料层(铁磁性记录层)611可以例如是U形三维层。信息存 储元件600可以例如采用以下方法制造。具体来说，在包括硅半导体基板的基板610中形 成每个都具有包括磁化基准层623B和非磁性膜623A的层叠结构的多个第三电极623。随 后，在基板610上形成层间绝缘层615。接着，在位于第三电极623上的层间绝缘层615中 形成开口。在开口中形成铁磁性材料层611，然后将铁磁性材料层611覆盖以绝缘膜616。 随后，去除绝缘膜616的位于各开口的底部上以及位于层间绝缘层615的顶面上的部分。 随后，对每个开口充以第二电极622，并在暴露在层间绝缘层615的顶面上的铁磁性材料层 611上形成第一电极621。本申请包含与2008年10月20日在日本专利局提交的日本在先专利申请 JP2008-269926中公开的主题有关的主题，通过引用将其全部内容并入于此。
本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以作出各种修改、组合、 子组合以及变更，只要它们在所附权利要求及其等同物的范围内。
权利要求
一种信息存储元件，包括带状铁磁性材料层；布置在所述铁磁性材料层的第一端处的第一电极；以及布置在所述铁磁性材料层的第二端处的第二电极；其中通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流来产生电流感生磁畴壁运动，在所述铁磁性材料层中，磁化状态作为信息被写入磁化区中或者磁化状态作为信息从磁化区被读取，各磁化区中的磁化方向平行于所述铁磁性材料层的厚度的方向；以及在写入信息或读取信息时，在所述铁磁性材料层中产生从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布。
2. 根据权利要求1所述的信息存储元件，还包括被布置成与所述铁磁性材料层的一部分相接触的第三电极，该第三电极包括与所述铁磁性材料层的所述一部分相接触的非磁性膜和布置在该非磁性膜上的磁化基准层，其中通过在所述第二电极与所述第三电极之间施加电流，将磁化状态作为信息写入各磁化区中。
3. 根据权利要求2所述的信息存储元件，其中通过在所述第二电极与所述第三电极之间施加电流，从所述第三电极读取各磁化区中的电阻值作为信息。
4. 根据权利要求2所述的信息存储元件，其中，在从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布中，在较靠近所述第三电极的区域中温度的升高较大。
5. 根据权利要求1所述的信息存储元件，其中，当沿与所述铁磁性材料层的轴的方向垂直的虚拟平面切割所述铁磁性材料层时所述铁磁性材料层的横截面积在所述铁磁性材料层的轴的方向上变化，以及在写入信息或读取信息时，通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流，在所述铁磁性材料层中产生温度分布。
6. 根据权利要求1所述的信息存储元件，其中所述铁磁性材料层的比电阻值在所述铁磁性材料层的轴的方向上变化，以及在写入信息或读取信息时，通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流，在所述铁磁性材料层中产生温度分布。
7. 根据权利要求l所述的信息存储元件，还包括温度控制装置，用于在所述铁磁性材料层的轴的方向上改变所述铁磁性材料层的温度，所述温度控制装置被布置在所述铁磁性材料层的附近，其中，在写入信息或读取信息时，由所述温度控制装置在所述铁磁性材料层中产生温度分布。
8. —种信息存储元件，包括带状铁磁性材料层；布置在所述铁磁性材料层的第一端处的第一电极；以及布置在所述铁磁性材料层的第二端处的第二电极；其中通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流来产生电流感生磁畴壁运动，在所述铁磁性材料层中，磁化状态被写入磁化区中作为信息或者磁化状态从磁化区被读取作为信息，各磁化区中的磁化方向平行于所述铁磁性材料层的厚度的方向；以及所述铁磁性材料层中的垂直磁各向异性从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调增强。
9. 根据权利要求8所述的信息存储元件，还包括被布置成与所述铁磁性材料层的一部分相接触的第三电极，该第三电极包括与所述铁磁性材料层的所述一部分相接触的非磁性膜和布置在该非磁性膜上的磁化基准层，其中通过在所述第二电极与所述第三电极之间施加电流，将磁化状态写入各磁化区中作为信息。
10. 根据权利要求9所述的信息存储元件，其中通过在所述第二电极与所述第三电极之间施加电流，从所述第三电极读取各磁化区中的电阻值作为信息。
11. 根据权利要求9所述的信息存储元件，其中在较靠近所述第三电极的区域中垂直磁各向异性较小。
12. —种信息存储元件的信息读写方法，该信息存储元件包括带状铁磁性材料层；布置在所述铁磁性材料层的第一端处的第一电极；以及布置在所述铁磁性材料层的第二端处的第二电极；其中各磁化区中的磁化方向平行于所述铁磁性材料层的厚度的方向，所述方法包括以下步骤在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流，以产生电流感生磁畴壁运动；在所述铁磁性材料层中，将磁化状态作为信息写入磁化区中或者从磁化区读取磁化状态作为信息；以及在写入信息或读取信息时，在所述铁磁性材料层中产生从所述第二端到所述第一端单调降低的温度分布，以控制所述铁磁性材料层中的磁畴壁的位置。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中由通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流而产生的焦耳热来在所述铁磁性材料层中产生温度分布。
14. 根据权利要求13所述的方法，其中在所述第一电极与所述第二电极之间施加的电流的值台阶式地或者连续地改变。
15. —种信息存储元件的信息读写方法，该信息存储元件包括带状铁磁性材料层；布置在所述铁磁性材料层的第一端处的第一电极；以及布置在所述铁磁性材料层的第二端处的第二电极；其中各磁化区中的磁化方向平行于所述铁磁性材料层的厚度的方向；以及所述铁磁性材料层中的垂直磁各向异性从所述铁磁性材料层的第二端到其第一端单调增强，所述方法包括以下步骤在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流，以产生电流感生磁畴壁运动；在所述铁磁性材料层中，将磁化状态作为信息写入磁化区中或者从磁化区读取磁化状态作为信息；以及在写入信息或读取信息时，升高所述铁磁性材料层的温度，以控制所述铁磁性材料层中的磁畴壁的位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中由通过在所述第一电极与所述第二电极之间施加电流而产生的焦耳热来升高所述铁磁性材料层的温度。
全文摘要
本发明涉及信息存储元件及其信息读写方法。一种信息存储元件，包括带状铁磁性材料层；布置在铁磁性材料层的第一端处的第一电极；以及布置在铁磁性材料层的第二端处的第二电极；其中通过在第一电极与第二电极之间施加电流来产生电流感生磁畴壁运动，在铁磁性材料层中，磁化状态被写入磁化区中作为信息或者磁化状态从磁化区被读取作为信息，各磁化区中的磁化方向平行于铁磁性材料层的厚度的方向；以及在读写信息时，在铁磁性材料层中产生从铁磁性材料层的第二端到其第一端单调降低的温度分布。
文档编号H01L27/22GK101727966SQ200910179480
公开日2010年6月9日 申请日期2009年10月20日 优先权日2008年10月20日
发明者大森広之 申请人:索尼株式会社