JP2007200928A - 磁気メモリ素子、磁気メモリ、及び磁気記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】磁気抵抗効果セルのサイズがさらに小型化されても、隣接する磁気抵抗効果セルへの誤書き込みや誤消去が起こりにくくなるようにする。
【解決手段】磁気メモリ素子１０１は、固定磁性層４、絶縁層５、自由磁性層６の順に積層されてなる磁気抵抗効果セル７と、圧電層１１と、金属層１２とを含んでいる。金属層１２及び圧電層１１には、自由磁化層６の層面方向に関する長さよりも小さい幅を有する孔１４が設けられている。圧電層１１の厚みは電界が加えられると小さくなる。孔１４へ光を照射したときに発生する近接場光は、圧電層１１に電界が加えられているときのみ自由磁性層６に達してこれを昇温させる。隣接する磁気メモリ素子１０１に光が照射されても、所望の磁気メモリ素子１０１に係る圧電層１１にだけ電界を加えることができるので、誤書き込みされることがない。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）に用いることが可能な磁気メモリ素子、この磁気メモリ素子を用いた磁気メモリ、及び、この磁気メモリを用いた磁気記録再生装置に関する。

近年、大容量かつ高速動作可能な不揮発性メモリとして、ＭＲＡＭが提案され、ＤＲＡＭやフラッシュメモリなどの半導体メモリに代わるメモリとして期待されている。図９に描かれたＭＲＡＭ３００においては、固定磁性層の磁化方向を固定するためのピン層３０３、固定磁性層３０４、絶縁層３０５及び自由磁性層３０６が積層された磁気抵抗効果セル３０７が二次元的に配列されている。そして、各磁気抵抗効果セル３０７は、２枚の電極層３０２、３１０によって挟まれている。電極層３０２は複数設けられており、各電極層３０２が磁気抵抗効果セル３０７の一方の配列方向に延在している。各電極層３０２は、これと同じ方向に配列された複数の磁気抵抗効果セル３０７に接続されている。電極層３１０も電極層３０２同様に複数設けられており、各電極層３１０が磁気抵抗効果セル３０７の他方の配列方向に延在している。各電極層３１０は、これと同じ方向に配列された複数の磁気抵抗効果セル３０７に接続されている。これら複数の電極層３０２、３１０から選択された１つの電極層３０２と１つの電極層３１０との間だけに通電することで、そのクロスポイントに存在する磁気抵抗効果セル３０７が選択され、書き込みおよび読み出しが行われる。

昨今では、さらにＭＲＡＭの高密度化が望まれており、個々の磁気抵抗効果セルのサイズがより小さく形成されるようになっている。しかしながら、このように磁気抵抗効果セルのサイズを小さくすると、磁気抵抗効果セルに用いられる磁性体の磁化方向が外部の熱エネルギーによって不安定となる、いわゆる熱揺らぎ現象が顕著となり、書き込んだ情報を安定に保持できなくなる。このような熱揺らぎの問題を解消し、書き込んだ情報を安定保持するためには、磁気抵抗効果セルを形成する磁性体に、磁気異方性エネルギーの大きな磁性材料を用いることが効果的であるが、磁気異方性エネルギーの大きな磁性材料は、同時に磁性体の保磁力も大きいことが一般的であり、これに伴って、書き込み時により大きな記録磁界が要求される。

また、上記の問題を解決するために、書き込み時以外では保磁力が大きく書き込み情報を安定に保持するが、書き込み時には、熱を与えることで保磁力を小さくし、従来と同程度の大きさの磁界で書き込みを可能にするという熱アシスト方式が提案されている。例えば、特許文献１には、電極に電流を流す際に発生する熱を利用する熱アシスト方式を採用したＭＲＡＭ素子が開示されている。

特開２００４−１７２６１４号公報

しかしながら、特許文献１のように、電流を流して加熱する方法では、磁気抵抗効果セルのサイズがさらに小型化され、ＭＲＡＭがさらに高密度化された場合、局所的な加熱を行うことが困難である。そのため、隣接する磁気抵抗効果セルが加熱されることによるデータの誤消去や誤書き込みを発生させるおそれがあるので、磁気抵抗効果セルをさらに小型化することができない。

そこで、本発明の目的は、磁気抵抗効果セルのサイズがさらに小型化されても隣接する磁気抵抗効果セルへの誤書き込みや誤消去が起こりにくい熱アシスト方式の磁気メモリに用いられる磁気メモリ素子と、この磁気メモリ素子を用いた磁気メモリと、この磁気メモリを用いた磁気記録再生装置とを提供することにある。

課題を解決するための手段及び効果

（１） 本発明の磁気メモリ素子は、磁化方向が固定された固定磁化層、磁化方向が可変である自由磁化層、及び、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層を有する磁気抵抗効果セルと、前記固定磁化層との間で前記自由磁化層を挟む位置に形成され、光を透過できる部分を有する圧電層と、前記自由磁化層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された導電性材料からなる遮光層と、前記圧電層との間で前記磁気抵抗効果セルを挟む位置に形成された第１の電極層と、前記圧電層と前記磁気抵抗効果セルとの間に形成された前記自由磁化層と電気的に接続されている透明な第２の電極層と、前記第２の電極層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された第３の電極層とを備えており、前記遮光層および前記第３の電極層には層厚方向に貫通した孔が設けられていると共に、前記孔の幅が、前記自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さい。

上記（１）の構成によれば、磁気メモリ素子の前記遮光層および前記第３の電極層に光が照射された際、前記遮光層および前記第３の電極層に設けられた孔で近接場光が発生する。前記遮光層と自由磁性層との間には、光を透過できる部分を有する圧電層が存在するので、近接場光が自由磁性層に照射されるか否かを、圧電層の層厚を変化させることによって制御できる。したがって、たとえ複数の磁気メモリ素子が互いに近接配置されている場合に２以上の磁気メモリ素子に係る孔に光が入射したとしても、各圧電層の層厚を制御することによって、磁化情報が書き込まれる磁気メモリ素子の自由磁性層だけに近接場光を照射し、当該自由磁性層を加熱することができる。また、第２の電極層が自由磁性層と圧電層との間に配置されることになるので、第２の電極層を流れる電流に起因して発生した磁界で自由磁性層を効率よく磁化することができる。加えて、上記のように配置された３つの電極層を有しているために、情報書き込みのための磁界を発生させる電流を流すために第２の電極層に印加する電圧、及び、圧電層の層厚を変更するために圧電層を挟む２つの電極層間に印加する電圧をそれぞれ低電圧とすることが可能となる。さらに、遮光層および前記第３の電極層に設けられた孔の幅が自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さいので、近接場光が隣接する磁気抵抗効果セルの自由磁性層に照射されることがほとんどない。よって、光照射型の熱アシスト方式を採用した場合において、磁気抵抗効果セルのサイズがさらに小型化されても隣接する磁気抵抗効果セルへの誤書き込みや誤消去が起こりにくく、高い信頼性での磁化情報の書き込みが可能となる。また、たとえ複数の磁気メモリ素子が互いに近接配置されている場合に２以上の磁気メモリ素子に磁界が印加されたとしても、情報の書き込みが行われるのは磁界が印加され且つ近接場光が自由磁性層に照射された磁気メモリ素子だけである。したがって、磁界が印加された２以上の磁気メモリ素子のうちで近接場光が自由磁性層に照射された磁気メモリ素子以外の磁気メモリ素子に情報が書き込まれないように、自由磁性層の材料を調整する必要がない。ここで、近接場光とは、光の回折限界を超えて小さな領域に局在した光のことである。この近接場光を発生させるには、遮光層および前記第３の電極層の孔の径よりも十分に大きい波長を有する光を孔に入射させればよい。

（２） 別の観点として、本発明の磁気メモリ素子は、磁化方向が固定された固定磁化層、磁化方向が可変である自由磁化層、及び、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層を有する磁気抵抗効果セルと、前記固定磁化層との間で前記自由磁化層を挟む位置に形成され、光を透過できる部分を有する圧電層と、前記自由磁化層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された導電性材料からなる遮光層と、前記圧電層との間で前記磁気抵抗効果セルを挟む位置に形成された第１の電極層と、前記圧電層と前記磁気抵抗効果セルとの間に形成された前記自由磁化層と電気的に接続されている透明な第２の電極層とを備えており、前記遮光層には層厚方向に貫通した孔が設けられていると共に、前記孔の幅が、前記自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さい。

上記（２）の構成によれば、第３の電極層が透明であるため、上記（１）と同様の効果を、遮光層にのみ孔を設けるだけで、すなわち第３の電極層に孔を設けずとも達成できる。

また、上記（１）又は（２）の本発明の磁気メモリ素子においては、前記遮光層が、導電性材料からなるとともに、前記第３の電極と前記圧電層との間に形成されていることが好ましい。

上記（３）の構成によれば、遮光層が導電性材料からなるものであれば、第２及び第３の電極層で圧電層に一様に電圧をかけることができるため、圧電層の層厚が歪まず、一様に変化させることができる。

（４） さらに別の観点として、本発明の磁気メモリ素子は、磁化方向が固定された固定磁化層、磁化方向が可変である自由磁化層、及び、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層を有する磁気抵抗効果セルと、前記固定磁化層との間で前記自由磁化層を挟む位置に形成され、光を透過できる部分を有する圧電層と、前記自由磁化層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された導電性材料からなる遮光層と、前記圧電層との間で前記磁気抵抗効果セルを挟む位置に形成された第１の電極層と、前記圧電層と前記磁気抵抗効果セルとの間に形成された前記自由磁化層と電気的に接続されている透明な第２の電極層とを備えており、前記遮光層には層厚方向に貫通した孔が設けられていると共に、前記孔の幅が、前記自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さい。

上記（４）の構成によれば、上記（１）と同様の効果を奏するだけでなく、導電性材料からなる遮光層が圧電層に電界を印加するために用いられる電極層を兼ねているので、構造が簡単でさらなる小型化・低コストを実現できる。

（５） また、本発明の磁気メモリ素子においては、前記圧電層には、前記遮光層の孔と対応する位置に孔が設けられ、前記圧電層と前記自由磁化層との間には、透明材料からなる１つ以上の層が形成されているものであってよい。

（６）或いは、前記圧電層には、前記遮光層の孔と対応する位置に孔が設けられ、前記圧電層と前記自由磁化層との間に複数の層が形成されており、前記複数の層が、前記圧電層の孔と対応する位置に孔を有する一又は複数の有孔層、及び、透明材料からなる一又は複数の透明層からなり、前記一又は複数の有孔層が互いに隣接していると共に、最も外側の前記有孔層が前記圧電層に隣接しているものであってよい。

上記（５）又は（６）の構成によれば、前記遮光層の孔から前記遮光層と前記自由磁化層との間の層のいずれかまで接続して設けられている孔の内部の屈折率が、前記遮光層と前記自由磁化層との間の透明材料からなる層の屈折率より低いため、前記遮光層にのみ孔を設けた場合に比べて、自由磁性層に照射される近接場光の強度を最大限に利用できる。

（７） 本発明の磁気メモリは、複数の上記（１）又は（２）の複数の磁気メモリ素子が二次元的に配列されており、前記複数の磁気メモリ素子のうち一方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第１の電極層が電気的に短絡されており、前記複数の磁気メモリ素子のうち前記一方向と交差する方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第２の電極層が電気的に短絡されており、前記複数の磁気メモリ素子のうち前記第１の電極層が接続された方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第３の電極層が電気的に短絡されたものである。

（８） 別の観点として、本発明の磁気メモリは、複数の上記（３）の複数の磁気メモリ素子が二次元的に配列されており、前記複数の磁気メモリ素子のうち一方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第１の電極層が電気的に短絡されており、前記複数の磁気メモリ素子のうち前記一方向と交差する方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第２の電極層が電気的に短絡されており、前記複数の磁気メモリ素子のうち前記第１の電極層が接続された方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記遮光層が電気的に短絡されたものである。

上記（７）又は（８）の構成によれば、同じ方向に配列された２以上の磁気メモリ素子同士に係る複数の電極層（遮光層）が電気的に短絡され、且つ、電気的に短絡された複数の電極層（遮光層）に係る２以上の磁気メモリ素子の配列方向が層厚方向に隣接する別種類の電極層（遮光層）に係る２以上の磁気メモリ素子の配列方向と交差しているので、互いに異なる配列方向に沿った２つの素子列の交点として磁化情報の書き込みが行われる磁気メモリ素子を容易に選定することができる。また、近接場光を利用することによって容易に磁気抵抗効果セルへの磁化情報の書き込みが可能であり、大量のデータ蓄積が可能な磁気メモリを提供できる。

（９） 本発明の磁気記録再生装置は、上記（７）又は（８）の磁気メモリと、前記遮光層に形成された前記孔に向けて光を照射する光照射手段とを備えている。これにより、容易に磁気抵抗効果セルへの磁化情報の書き込みが可能な磁気記録再生装置を提供できる。

＜第１実施形態＞
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態に係る磁気記録再生装置について説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る磁気記録再生装置の主要部分の模式構成を示す斜視図である。図２は、図１の磁気記録再生装置の磁気メモリを構成する磁気メモリ素子の模式断面図である。

本実施形態における磁気記録再生装置１０００は、図１に示すように、磁気メモリ１００と光源１６とを備えている。磁気メモリ１００は、図２に示す磁気メモリ素子１０１をｍ行ｎ列（行：図１の左右方向、列：行に直交する方向、ｍ、ｎは自然数）の二次元（升目状）に並べた構成となっている。図１には、その一部として、９つの磁気メモリ素子が並んでいる様子を示している。なお、磁気メモリ１００における各磁気メモリ素子は、図２における磁気メモリ素子１０１と同様のものである。また、図１に示していないが、磁気メモリ１００における各磁気メモリ素子は、磁気メモリ素子１０１を構成している基板１、キャップ層８、及びカバー層９と同様の部位を同様の箇所に有している。また、説明の便宜のため、図１における各層は、模式化して平面を有する簡易な構造として表現している。

図２に示す磁気メモリ素子１０１において、孔１ａを有する基板１の表面の一部及び孔１ａ内に電極層２が形成されている。また、基板１に対して電極層２と反対側の表面には、電極層２と電気的に接続されたピン層３が形成されている。さらに、ピン層３の表面上には、固定磁性層４と、絶縁層５と、自由磁性層６とが順に積層されてなる磁気抵抗効果セル７が形成されている。この磁気抵抗効果セル７の自由磁性層６の表面上には、キャップ層８が形成されている。さらに、キャップ層８と、磁気抵抗効果セル７と、ピン層３と、基板１の表面とを覆うように、孔９ａを有するカバー層９が形成されている。カバー層９の表面及び孔９ａ内には、キャップ層８と電気的に接続された電極層１０が形成されている。そして、電極層１０の表面上には、圧電層１１、金属層（遮光層）１２、電極層１３が順に積層され、金属層（遮光層）１２、電極層１３の層を一貫する孔１４が積層方向に形成されている。なお、図２に示すように、ピン層３から絶縁層５までの積層体の幅が、自由磁性層６及びキャップ層８の積層体の幅よりも大きい。これにより、基板１下部から電極層２用の孔１ａを形成したときに、他層を壊してしまうことを防ぐことができる。また、自由磁性層６と固定磁性層４とがショートしてしまうのを防ぐことができる。

基板１の表面は、平均粗さ０．５ｎｍ以下の平坦面となっている。基板１は、表面熱酸化処理を施したＳｉ（シリコン）又はガラスからなる。

電極層２、１０、１３は、磁気メモリ素子１０１の外部から電位信号が供給される層である。具体的には、同じ方向に配列された２以上の磁気メモリ素子１０１同士に係る電極層２、１３が電気的に短絡され、且つ、電気的に短絡された電極層２、１３に係る２以上の磁気メモリ素子１０１の配列方向が層厚方向に隣接する電極層１０に係る２以上の磁気メモリ素子１０１の配列方向と交差している。これにより、互いに異なる配列方向に沿った２つの素子列の交点として磁化情報の書き込みが行われる磁気メモリ素子を容易に選定することができる。電極層２、１３には、電気抵抗の低い材料、例えば、Ｃｕ,Ａｌやこれらの元素を含む金属材料を用いる。電極層１０には、ＩＴＯなどの透明材料を用いる。一変形例として、電極層２、１３が、ＩＴＯなどの透明材料からなるものであってもよく、このとき、電極層１３には孔１４を設けなくてもよい。

ピン層３は、固定磁性層４の磁化を固定するための層である。ピン層３の材質はＭｎＰｔ又はＭｎＦｅであり、その層厚は数ｎｍ程度である。

固定磁性層４は、ピン層３によって磁化方向が固定されている層であり、自由磁性層６の磁化の向きを読むときの比較対象となる。固定磁性層４はＣｏＦｅＢからなり、層厚は数ｎｍ程度である。一変形例として、固定磁性層４は、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢという、２層の磁性層で非磁性層を挟んだ構造を有していてもよい。

絶縁層５はＡｌＯｘからなり、その層厚は数ｎｍ程度である。或いは絶縁層５は、酸化シリコンなどの酸化物、窒化アルミニウムや窒化シリコンなどの窒化物からなるものであってもよい。磁気抵抗効果セル７が巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を奏するセルの場合には、絶縁層５の材料としてＣｕを用いてもよい。

自由磁性層６は、磁界により磁化の向きが変化する層厚数ｎｍ程度の層である。自由磁性層６は、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏ、ＲｂＦｅ、ＣｏＦｅＢ、又は、ＮｉＦｅからなる。

磁気抵抗効果セル７は、上述のように、固定磁性層４と、絶縁層５と、自由磁性層６とが順に積層されたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果を奏するセルであり、固定磁性層４−自由磁性層６間に電圧がかかったときに、絶縁層５にトンネル電流が流れる。そのとき、固定磁性層４の磁化の向きと自由磁性層６の磁化の向きとが平行、反平行のいずれかによって抵抗値が異なる。したがって、抵抗値を測定することで磁気抵抗効果セル７に記録された「０」又は「１」を示す磁気情報を読取る（再生する）ことができる。

キャップ層８は、カバー層９に孔９ａを形成するときに、自由磁性層６が傷つくのを防ぐための透明な導電層である。キャップ層８は、Ｔａ又はＲｕからなり、その層厚は数十ｎｍ程度である。

カバー層９は、自由磁性層６と固定磁性層４とが通電するのを防ぐ透明な絶縁層である。カバー層９は、ＳｉＯ_２からなる。その層厚は通電を防止するためのもので、１００ｎｍ以下でよい。

圧電層１１は、孔１４の入射開口から自由磁性層６の表面までの距離を変更するために使用される層である。圧電層１１は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＴｉＯ_３）、又は、圧電セラミックスなどの透明材料からなる。２つの電極層１０、１３間に電圧をかけると、圧電層１１は電界方向つまり層厚方向に縮む材料と伸びる材料がある。圧電層１１が電圧をかけると層厚方向に縮む材料の場合、磁気メモリ素子１０１に磁化情報を書き込む場合には、孔１４を通過した近接場光が自由磁性層６に到達できる大きさの所定電圧を電極層１０、１３間に印加する。他方、磁気メモリ素子１０１に磁化情報を書き込まない場合には、電極層１０、１３間に所定電圧を印加しない。圧電層１１の層厚は、電極層１０、１３間に所定電圧が印加されていないときに、近接場光が自由磁性層６に到達できない距離となっている。

一変形例として、圧電層１１は、電極層１０、１３間に電圧をかけると、電圧がかかる方向に伸びるものであってもよい。このとき、磁気メモリ素子１０１に磁化情報を書き込まない場合には、近接場光が自由磁性層６に到達できないようになる大きさの所定電圧を電極層１０、１３間に印加する。他方、磁気メモリ素子１０１に磁化情報を書き込む場合には、電極層１０、１３間に電圧を印加しない。圧電層１１の層厚は、電極層１０、１３間に電圧が印加されていないときに、近接場光が自由磁性層６に到達できる距離となっている。

金属層１２は、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌなどの金属材料である。金属層１２の層厚は数十ｎｍ程度である。金属層１２を用いているために、孔１４における近接場光の発生効率が高い。

電極層１３表面に入射光１５が照射されると、孔１４の金属層１２及び電極層１３に対応した領域で近接場光が発生する。孔１４は、その延長上に自由磁性層６が存在するように形成されている。孔１４の幅は、自由磁性層６の層面方向に関する長さよりも小さい。孔１４の横断面形状は、円形・三角形・四角形などどのような形状でもよいが、発生させる近接場光の所望のスポットサイズに対応した横断面形状・大きさに形成される。ただし、近接場光の強度分布は、孔１４の横断面形状により異なる。例えば、入射光の偏光方向に対して垂直な辺が孔１４の入射開口に存在すると、その辺で増幅が起こる。そのため、孔１４の横断面形状に合わせて、圧電層１１の定常状態（電圧非印加状態）での層厚や縮み特性を決める必要がある。

入射光１５は、電極層１３の表面に対して垂直な方向から照射される。ただし、入射光１５は、電極層１３の表面に対して斜め方向から照射されてもよい。また、レーザー光源または発光ダイオードからの非平行光をそのまま電極層１３に照射してもよいし、コリメートレンズを通過した平行光を電極層１３に照射してもよい。

次に、磁気メモリ１００の製造方法について、図３及び図４を用いて説明する。図３及び図４は、磁気メモリ１００における磁気メモリ素子１０１の製造方法の一工程を示す断面図である。なお、各層の形成にはＣＭＯＳプロセスを用いることができるが、これに限られず、各層を形成できる方法であればどのようなものでもよい。

まず、ＳｉＯ_２からなる基板１上にピン層３、固定磁性層４、絶縁層５、自由磁性層６、キャップ層８からなる積層体（図３参照）を、ｍ行ｎ列の升目状に並列形成する。次に、上記の各積層体において、フォトレジストを用いたエッチングプロセスを２回行って、図４に示すように、ピン層３から絶縁層５までの積層体の幅を、自由磁性層６及びキャップ層８の積層体の幅より小さくする。続いて、基板１下部からのイオンミリングにより、ピン層３に達する孔１ａを形成する。そして、ピン層３から絶縁層５までの積層体と、自由磁性層６及びキャップ層８の積層体と、基板１の表面とを覆うカバー層９を形成する。続いて、フォトレジストを用いたエッチングプロセスを行って、キャップ層８に達する孔９ａをカバー層９に形成する。次に、下方から基板１に及び上方からカバー層９に向けてターゲット原子を衝突させるスパッタリング又はメッキを行って、Ｃｕからなる電極層２及び電極層１０を形成する。この後、フォトレジストを用いたエッチングプロセスを行って電極層２（図４参照）及び電極層１０を所望パターンに加工する。続いて、圧電層１１、金属層１２、電極層１３を順にスパッタリングにより積層した後、集束イオンビーム（ＦＩＢ）又はエッチングで圧電層１１に達する孔１４を形成する。これらの工程を経て図２に描かれた磁気メモリ素子１０１を有する磁気メモリ１００が作製される。

次に、磁気メモリ素子１０１の動作について説明する。ここでは、圧電層１１が、電圧をかけると層厚方向に縮む材料である場合について説明する。まず、磁気メモリ素子１０１に対し記録又は再生を行わないときには、電極層２、１０、１３に電流を流さない。このとき、光源１６からは入射光１５を出射させない。なお、磁気メモリ素子１０１に対し記録又は再生を行わないときに、光源１６から入射光１５を出射させてもよい。

ｍ行ｎ列の（ｍ×ｎ）個の磁気メモリ素子１０１のうち（ｉ,ｊ）に位置する１つの磁気メモリ素子１０１（ｉは０〜ｍまでの任意の自然数であり、ｊは０〜ｎまでの任意の自然数である）に対し磁化情報を書き込むときは、まず、ｉ行目の電極層１０とｊ列目の電極層１３との間に所定電圧を印加し、ｉ行目の電極層１０の電位をＶａ、ｊ列目の電極層１３の電位をＶｂとする。このとき、Ｖｂ−Ｖａの大きさを、Ｖａ及びＶｂの大きさより大きくする。これによって、（ｉ,ｊ）に位置する磁気メモリ素子１０１に係る圧電層１１が電圧Ｖｂ−Ｖａの印加によって層厚方向に収縮し、当該圧電層１１は、孔１４を通過した近接場光が自由磁性層６に到達できる層厚となる。同時に、磁化情報が書き込まれないｉ行およびｊ列以外の磁気メモリ素子１０１については電極層１０と電極層１３との間に所定電圧を印加しない。つまり、ｉ行目の電極層１０の電位をＶａ、ｊ列目の電極層１３の電位をＶｂとした場合においては、（ｉ,ｊ）以外の位置の電圧はＶａ、Ｖｂ、０のいずれかとなる。したがって、当該圧電層１１は、孔１４を通過した近接場光が自由磁性層６に到達できない層厚のまま保持される。この状態において、光源１６から入射光１５を出射する。すると、（ｍ×ｎ）個すべての磁気メモリ素子１０１に係る孔１４で近接場光が発生する。しかし、発生した近接場光が自由磁性層６に照射されるのは、圧電層１１が層厚方向に十分に収縮した（ｉ,ｊ）に位置する磁気メモリ素子１０１だけである。その他の磁気メモリ素子１０１においては、圧電層１１が層厚方向に十分に収縮していないために、近接場光が自由磁性層６に照射されない。近接場光が自由磁性層６に照射された（ｉ,ｊ）に位置する磁気メモリ素子１０１では、近接場光によって加熱された自由磁性層６の保磁力が下がる。

さらに、ｉ行目の電極層２（電流の流れる方向：図１紙面の奥手から手前方向、又はその逆方向）とｊ列目の電極層１０（電流の流れる方向：図１紙面の左右方向）との両方に書き込みたい磁化情報に即した方向の電流を流す。これによって、加熱により下げられた自由磁性層６の保磁力以上の合成磁界（電極層２と電極層１０とで発生した磁界が合成されたもの）が発生するので、自由磁性層６の磁化の向きを所望方向に変えることができる。このようにして、所望の１つの磁気メモリ素子１０１に磁化情報を書き込むことができる。また、電流注入により記録することもでき、この場合、ｉ行目の電極層２とｊ列目の電極層１０との間に所定電圧を印加し、ｉ行目の電極層２の電位をＶｃとする。これによって、（ｉ,ｊ）に位置する１つの磁気メモリ素子１０１のみに電流が流れるため、この電流により自由磁性層６のスピンの向きが変わる。このとき、自由磁性層６から電子が注入されるように、ＶｃがＶａよりおおきくなるようにする。

（ｉ,ｊ）に位置する磁気メモリ素子１０１に書き込まれた磁化情報の読み出し（再生）を行いたいときは、光源１６から入射光１５を出射させることなく、ｉ行目の電極層２とｊ列目の電極層１０とに電流を流し、（ｉ,ｊ）に位置する磁気メモリ素子１０１の抵抗値を測定する。このとき、スピン依存トンネリング現象のために、自由磁性層６の磁化の向きが固定磁性層４の磁化の向きと平行であるか反平行であるかによって、絶縁層５に対する電子の通過し易さ、引いては磁気メモリ素子１０１の抵抗値が異なる。したがって、磁気メモリ素子１０１の抵抗値を測定することによって、書き込まれた磁気情報が「０」及び「１」のいずれであるかを判別することができる。なお、再生時には圧電層１１を加熱する必要がないので、光を照射する必要も、電極層１３と電極層１０との間に電圧をかける必要もない。

上記構成によれば、以下に示すような効果を奏する磁気記録再生装置１０００を提供できる。光照射型の熱アシスト方式を採用した場合において、磁気抵抗効果セル７のサイズがさらに小型化されても隣接する磁気抵抗効果セル７への誤書き込みや誤消去が起こりにくく、高い信頼性での磁化情報の書き込みが可能となる。また、たとえ複数の磁気メモリ素子１０１が互いに近接配置されている場合に２以上の磁気メモリ素子１０１に磁界が印加されたとしても、情報の書き込みが行われるのは磁界が印加され且つ近接場光が自由磁性層６に照射された磁気メモリ素子１０１だけである。したがって、磁界が印加された２以上の磁気メモリ素子１０１のうちで近接場光が自由磁性層６に照射された磁気メモリ素子１０１以外に情報が書き込まれないように、自由磁性層６の材料を調整する必要がない。

また、同じ方向に配列された２以上の磁気メモリ素子１０１同士に係る複数の電極層１３が電気的に短絡され、且つ、電気的に短絡された複数の電極層１３に係る２以上の磁気メモリ素子１０１の配列方向が層厚方向に隣接する電極層１０に係る２以上の磁気メモリ素子１０１の配列方向と交差しているので、互いに異なる配列方向に沿った２つの素子列の交点として磁化情報の書き込みが行われる磁気メモリ素子１０１を容易に選定することができる。加えて、近接場光を利用することによって容易に磁気抵抗効果セル７への磁化情報の書き込みが可能であり、大量のデータ蓄積が可能な磁気メモリ１００を有する磁気記録再生装置１０００を提供できる。

さらに、電極層１０が自由磁性層６と圧電層１１との間に配置されることになるので、電極層１０を流れる電流に起因して発生した磁界で自由磁性層６を効率よく磁化することができる。加えて、上記のように配置された３つの電極層２、１０、１３を有しているために情報書き込みのための磁界を発生させる電流を流すために電極層１０に印加する電圧、及び、圧電層１１の層厚を変更するために圧電層１１を挟む２つの電極層１０、１３間に印加する電圧をそれぞれ低電圧とすることが可能となる。

加えて、圧電層１１の層厚が薄く、磁気メモリ素子１０１の金属層１２に光が照射されている状態であるときには、孔１４で発生した近接場光を自由磁性層６に効率よく照射することができる。

また、電極層１０が、自由磁性層６と電気的に接続されているので、電極層１０を、磁気抵抗効果セル７への磁化情報の書き込み、及び、磁気抵抗効果セル７からの磁化情報の読み出しに兼用することができる。

＜第１実施形態の変形例１＞
次に、本発明の第１実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置について説明する。図５は、本発明の第１実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置で用いられている磁気メモリ素子を示す断面図である。なお、本変形例において第１実施形態と同様の部分（符号２１〜３３、３５）については、第１実施形態の符号（符号１〜１３、１５）の部分にそれぞれ順に合致させて示しており、かかる同様の部分の説明が省略されることがある。

本実施形態における磁気記録再生装置においては、図示しないが、第１実施形態における磁気記録再生装置１０００とほぼ同構成であり、図５に示す磁気メモリ素子１０２を有する磁気メモリと光源とを備えている。ただし、磁気メモリ素子１０２の構成において、第１実施形態における磁気メモリ素子１０１と異なる点がある。具体的には、ＩＴＯなどの透明な材料からなる電極層３３には孔を設けずに、遮光層３２（遮光層）にのみ孔３４を設け、電極層３３の一部によって孔３４内部が埋められている点が異なっている。磁気メモリ素子１０２は、第１実施形態と同様の方法で作成できる。

上記構成によれば、第１実施形態に係る磁気記録再生装置１０００と同様の作用・効果を奏する。また、上記（１）と同様の効果を、金属層３２（遮光層）にのみ孔３４を設けるだけで、すなわち電極層３３に孔を設けずとも達成できる。また、孔３４が電極層３３で埋められているので、電極層３０、３３で圧電層に一様に電圧をかけることができるため、圧電層の層厚が歪まず、一様に変化させることができる。

＜第１実施形態の変形例２＞
次に、本発明の第１実施形態の変形例２に係る磁気記録再生装置について説明する。図６は、本発明の第１実施形態の変形例２に係る磁気記録再生装置で用いられている磁気メモリ素子を示す断面図である。なお、本変形例において第１実施形態と同様の部分（符号４１〜５３、５５）については、第１実施形態の符号（符号１〜１３、１５）の部分にそれぞれ順に合致させて示しており、かかる同様の部分の説明が省略されることがある。

本実施形態における磁気記録再生装置においては、図示しないが、第１実施形態における磁気記録再生装置１０００とほぼ同構成であり、図６に示す磁気メモリ素子１０３を有する磁気メモリと光源とを備えている。ただし、磁気メモリ素子１０３の構成において、第１実施形態における磁気メモリ素子１０１と異なる点がある。具体的には、孔１４の代わりに、孔５４が電極層５３からキャップ層４８の上面にかけて一貫して形成されている点が異なっている。磁気メモリ素子１０３は、第１実施形態と同様の方法で作成できる。

上記構成によれば、第１実施形態に係る磁気記録再生装置１０００と同様の作用・効果を奏する。また、本変形例に係る磁気記録再生装置においては、孔５４が電極層５３からキャップ層４８の上面にかけて一貫して形成され、孔５４の内部の屈折率が、透明材料からなるキャップ層の屈折率より低いので、金属層（遮光層）５３に設けられた孔で発生する近接場光が、自由磁性層５６に到達するまでの光学的距離が短くなる。よって、第１実施形態に係る磁気記録再生装置１０００に比べ、発生した近接場光を効率よく利用できる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る磁気記録再生装置について説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る磁気記録再生装置の主要部分の模式構成を示す斜視図である。なお、本実施形態において第１実施形態と同様の部分（符号７１〜７２、７５）については、第１実施形態の符号（符号１〜１２、１５）の部分にそれぞれ順に合致させて示しており、かかる同様の部分の説明が省略されることがある。

本実施形態における磁気記録再生装置２０００は、図７に示すように、磁気メモリ２００と光源７６とを備えている。磁気メモリ２００は、図８に示す磁気メモリ素子２０１と同様の磁気メモリ素子をｍ行ｎ列（行：図５の左右方向、列：行に直交する方向、ｍ、ｎは自然数）の二次元（升目状）に並べた構成となっている。図７には、その一部として、９つの磁気メモリ素子が並んでいる様子を示している。なお、図７に示していないが、磁気メモリ２００における各磁気メモリ素子は、磁気メモリ素子２０１を構成している基板６１、キャップ層６８、及びカバー層６９と同様の部位を同様の箇所に有している。また、説明の便宜のため、図７における各層は、模式化して平面を有する簡易な構造として表現している。

磁気メモリ素子２０１は、（１）金属層７２を近接場光の発生のための層（遮光層）だけでなく、電極層としての役目も併せ持つようにして、電極層をなくした点、（２）孔１４の代わりに、孔７４が金属層７２からキャップ層６８の上面にかけて一貫して形成されている点が、第１実施形態における磁気メモリ素子１０１と異なる。磁気メモリ素子２０１は、第１実施形態と同様の方法で作成できる。

本実施形態において、孔７４は、金属層７２からキャップ層６８の上面にかけて一貫して形成されているが、その一変形例として、以下のものがある。近接場光を発生させるための孔が金属層７２に設けられていて、圧電層７１からキャップ層６８の上面までの間のいずれかの層に不透明材料が使用されている場合は、キャップ層６８に最も近接している不透明材料を使用している層の下面まで、金属層７２に設けられた孔を延設するものであってもよい。

上記構成によれば、第１実施形態に係る磁気記録再生装置１０００と同様の作用・効果を奏する。また、金属層７２が圧電層７１に電界を印加するために用いられる電極層を兼ねているので、構造が簡単でさらなる小型化、および低コストの磁気記録再生装置２０００を実現できる。

＜第２実施形態の変形例１＞
次に、本発明の第２実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置について説明する。図９は、本発明の第２実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置で用いられている磁気メモリ素子を示す断面図である。

本変形例における磁気記録再生装置においては、図示しないが、第２実施形態における磁気記録再生装置２０００とほぼ同構成であり、磁気メモリ素子２０２を有する磁気メモリと光源とを備えている。ただし、磁気メモリ２０２の構成において、第２実施形態における磁気メモリ素子２０１と異なる点がある。具体的には、磁気メモリ素子２０２は、（１）カバー層８９がキャップ層８８の上面を覆わずに側面を覆うようにした点、（２）電極層９０をキャップ層８８上面に直接積層した点が、第２実施形態における磁気メモリ素子２０１と異なる。磁気メモリ素子２０２は、第１実施形態と同様の方法で作成できる。なお、上記変形点（１）（２）は、第１実施形態及び第１実施形態の変形例１、２にも適用できる。

上記構成によれば、第２実施形態に係る磁気記録再生装置２０００と同様の作用・効果を奏する。また、第１、第２実施形態及び第１実施形態の変形例１、２に係る磁気記録再生装置に比べて、磁界を発生させる電極層９０が自由磁性層８６に近設されているので、自由磁性層８６にかかる磁界を強くできる。その結果として、確実かつ容易に、磁気抵抗効果セル８７への磁化情報の書き込みができる。

＜第２実施形態の変形例２＞
次に、本発明の第２実施形態の変形例２に係る磁気記録再生装置について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態の変形例２に係る磁気記録再生装置で用いられている磁気メモリ素子を示す断面図である。

本変形例における磁気記録再生装置においては、図示しないが、第２実施形態における磁気記録再生装置２０００とほぼ同構成であり、磁気メモリ素子２０３を有する磁気メモリと光源とを備えている。ただし、磁気メモリ２０３の構成において、第２実施形態における磁気メモリ素子２０１と異なる点がある。

具体的には、磁気メモリ素子２０３は、（１）電極層１２０がキャップ層１１８の上面を覆わずに側面を覆うようにした点、（２）圧電層１２１をキャップ層１１８の上面に直接積層した点が、第２実施形態における磁気メモリ素子２０１と異なる。磁気メモリ素子２０２は、第１実施形態と同様の方法で作成できる。なお、上記変形点（１）（２）は、第１実施形態及び第１実施形態の変形例１、２にも適用できる。

上記構成によれば、第２実施形態に係る磁気記録再生装置２０００と同様の作用・効果を奏する。また、第１、第２実施形態、第１実施形態の変形例１、２及び第２実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置に比べて、磁界を発生させる電極層１２０が自由磁性層１１６に近設されているので、自由磁性層１１６にかかる磁界をさらに強くできる。その結果として、さらに確実かつ容易に、磁気抵抗効果セル１１７への磁化情報の書き込みができる。

なお、本発明は、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で設計変更できるものであり、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の各実施形態の圧電層には、電圧をかけると縮む圧電材料を用いたが、電圧をかけると伸びるチタン酸ジルコン酸鉛や、チタン酸バリウムなどの材料を用いてもよく、その場合、記録しないときは電圧を印加したままとし、記録するときには電圧を印加しなければよい。

また、上記各実施形態や各変形例において、近接場光を発生させるための孔の径は軸方向に沿って一定である必要はない。例えば、この孔がすり鉢形状になっていてもよく、この場合、自由磁性層に近くなるにつれ、孔の径が狭くなるのが望ましい。

また、上記各実施形態や各変形例において、例えば、異なる層に異なる径の孔が短絡されるように形成されていてもよい。具体的に説明すると、第１実施形態においては、金属層１２または第３の電極層１３の径が、自由磁性層６の層面方向に関する長さよりも小さければよい。また、第１実施形態の変形例や、第２実施形態及びその変形例１、２においては、金属層の径が、自由磁性層の層面方向に関する長さよりも小さければよい。

また、第１実施形態において、金属層１２と電極層１３とは上下逆でもよいし、電極層１０を自由磁性層６と電気的に接続しなくてもよい。

さらに、第１実施形態及びその変形例において、金属層に代えて非金属の遮光膜を形成してもよい。

また、第１、第２実施形態及び第１実施形態の変形例において、電極層を省略してもよいが、この場合、キャップ層及び／又はカバー層も省略してよい。

また、上記各実施形態及び各変形例において、自由磁性層、絶縁層、固定磁性層がそれぞれ複数層からなるものであってもよい。

本発明の第１実施形態に係る磁気記録再生装置を示す斜視図である。 図１の磁気記録再生装置に用いられている磁気メモリ素子を示す模式断面図である。 図２の磁気メモリ素子の製造方法における一工程を示す断面図である。 図２の磁気メモリ素子の製造方法における一工程を示す断面図であって、図３より後の工程のものである。 本発明の第１実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置に用いられている磁気メモリ素子を示す模式断面図である。 本発明の第１実施形態の変形例２に係る磁気記録再生装置に用いられている磁気メモリ素子を示す模式断面図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気記録再生装置を示す斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気記録再生装置に用いられている磁気メモリ素子を示す模式断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例１に係る磁気記録再生装置に用いられている磁気メモリ素子を示す模式断面図である。 本発明の第２実施形態の変形例２に係る磁気記録再生装置に用いられている磁気メモリ素子を示す模式断面図である。 従来のＭＲＡＭの主要部分の模式構成を示す斜視図である。

符号の説明

１、２１、４１、６１、８１、３０１ 基板
１ａ、９ａ、１４、３４、５４、７４、８４ 孔
２、１０、１３、２２、３０、４２、５０、６２、７０、８２、９０、１２０、３０２、３１０ 電極層
３、２３、４３、６３、８３、１１３、３０３ ピン層
４、２４、４４、６４、８４、１１４、３０４ 固定磁性層
５、２５、４５、６５、８５、１１５、３０５ 絶縁層
６、２６、４６、６６、８６、１１６、３０６ 自由磁性層
７、２７、４７、６７、８７、１１７、３０７ 磁気抵抗効果セル
８、２８、４８、６８、８８、１１８ キャップ層
９、２９、４９、６９、８９、１１９ カバー層
１１、３１、５１、７１、９１、１２１ 圧電層
１２、３２、５２、７２、９２、１２２ 金属層
１５、３５、５５、７５、９５、１２５ 入射光
１６、３６ 光源
１００、２００、３００ 磁気メモリ
１０１、１０２、１０３、２０１、２０２、２０３ 磁気メモリ素子
１０００、２０００ 磁気記録再生装置

Claims (9)

1. 磁化方向が固定された固定磁化層、磁化方向が可変である自由磁化層、及び、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層を有する磁気抵抗効果セルと、
   前記固定磁化層との間で前記自由磁化層を挟む位置に形成され、光を透過できる部分を有する圧電層と、
   前記自由磁化層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された遮光層と、
   前記圧電層との間で前記磁気抵抗効果セルを挟む位置に形成された第１の電極層と、
   前記圧電層と前記磁気抵抗効果セルとの間に形成され、前記自由磁化層と電気的に接続されている透明な第２の電極層と、
   前記第２の電極層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された第３の電極層とを備えており、
   前記遮光層および前記第３の電極層には層厚方向に貫通した孔が設けられていると共に、
   前記孔の幅が、前記自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さいことを特徴とする磁気メモリ素子。
2. 磁化方向が固定された固定磁化層、磁化方向が可変である自由磁化層、及び、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層を有する磁気抵抗効果セルと、
   前記固定磁化層との間で前記自由磁化層を挟む位置に形成され、光を透過できる部分を有する圧電層と、
   前記自由磁化層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された遮光層と、
   前記圧電層との間で前記磁気抵抗効果セルを挟む位置に形成された第１の電極層と、
   前記圧電層と前記磁気抵抗効果セルとの間に形成され、前記自由磁化層と電気的に接続されている透明な第２の電極層と、
   前記第２の電極層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された透明な第３の電極層とを備えており、
   前記遮光層には層厚方向に貫通した孔が設けられていると共に、
   前記孔の幅が、前記自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さいことを特徴とする磁気メモリ素子。
3. 前記遮光層が、導電性材料からなるとともに、前記第３の電極と前記圧電層との間に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気メモリ素子。
4. 磁化方向が固定された固定磁化層、磁化方向が可変である自由磁化層、及び、前記固定磁化層と前記自由磁化層とに挟まれた絶縁層を有する磁気抵抗効果セルと、
   前記固定磁化層との間で前記自由磁化層を挟む位置に形成され、光を透過できる部分を有する圧電層と、
   前記自由磁化層との間で前記圧電層を挟む位置に形成された導電性材料からなる遮光層と、
   前記圧電層との間で前記磁気抵抗効果セルを挟む位置に形成された第１の電極層と、
   前記圧電層と前記磁気抵抗効果セルとの間に形成された前記自由磁化層と電気的に接続されている透明な第２の電極層とを備えており、
   前記遮光層には層厚方向に貫通した孔が設けられていると共に、
   前記孔の幅が、前記自由磁化層の層面方向に関する長さよりも小さいことを特徴とする磁気メモリ素子。
5. 前記圧電層には、前記遮光層の孔と対応する位置に孔が設けられ、前記圧電層と前記自由磁化層との間には、透明材料からなる１つ以上の層が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
6. 前記圧電層には、前記遮光層の孔と対応する位置に孔が設けられ、
   前記圧電層と前記自由磁化層との間に複数の層が形成されており、
   前記複数の層が、前記圧電層の孔と対応する位置に孔を有する一又は複数の有孔層、及び、透明材料からなる一又は複数の透明層からなり、
   前記一又は複数の有孔層が互いに隣接していると共に、最も外側の前記有孔層が前記圧電層に隣接していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の磁気メモリ素子。
7. 請求項１又は２に記載の複数の磁気メモリ素子が二次元的に配列されており、
   前記複数の磁気メモリ素子のうち一方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第１の電極層が電気的に短絡されており、
   前記複数の磁気メモリ素子のうち前記一方向と交差する方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第２の電極層が電気的に短絡されており、
   前記複数の磁気メモリ素子のうち前記第１の電極層が接続された方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第３の電極層が電気的に短絡されていることを特徴とする磁気メモリ。
8. 請求項４に記載の複数の磁気メモリ素子が二次元的に配列されており、
   前記複数の磁気メモリ素子のうち一方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第１の電極層が電気的に短絡されており、
   前記複数の磁気メモリ素子のうち前記一方向と交差する方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記第２の電極層が電気的に短絡されており、
   前記複数の磁気メモリ素子のうち前記第１の電極層が接続された方向に配列された２以上の前記磁気メモリ素子に係る複数の前記遮光層が電気的に短絡されていることを特徴とする磁気メモリ。
9. 請求項７又は８に記載の磁気メモリと、
   前記遮光層に形成された前記孔に向けて光を照射する光照射手段とを備えていることを特徴とする磁気記録再生装置。

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