JP2010141340A - 磁気トラック、磁気トラックを備える情報保存装置及び該情報保存装置の動作方法 - Google Patents

磁気トラック、磁気トラックを備える情報保存装置及び該情報保存装置の動作方法 Download PDF

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Abstract

【課題】磁気トラック、磁気トラックを備える情報保存装置及び該情報保存装置の動作方法を提供する。
【解決手段】開示された磁気トラックは相異なる長さの第１及び第２磁区領域を備える。該第１及び第２磁区領域で磁壁移動速度は相異なりうる。該第１及び第２磁区領域のうち長さの長い領域は、情報の記録／再生領域でありうる。第１磁区領域での磁壁移動速度は、第２磁区領域での磁壁移動速度より速い。第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気トラック、磁気トラックを備える情報保存装置及び該情報保存装置の動作方法に関する。
電源が遮断されても記録された情報が維持される不揮発性情報保存装置は、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）及び不揮発性ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）などがある。
一般的に、ＨＤＤは、回転する部分を持つ保存装置であって、摩耗される傾向があり、動作時に故障（フェイル）が発生する可能性が大きいため、信頼性が落ちる。一方、不揮発性ＲＡＭの代表的な例として、フラッシュメモリを挙げることができるが、フラッシュメモリは、回転する機械装置を使用していないが、読み取り／書き込み動作速度が遅くて寿命が短く、ＨＤＤに比べて保存容量が小さいという短所がある。またフラッシュメモリのコストは相対的に高い。
これに、最近には従来の不揮発性情報保存装置の問題点を克服するための方案として、磁性物質の磁壁移動原理を利用する新たな情報保存装置に関する研究及び開発が行われている。磁区は、強磁性体内で磁気モーメントが一定方向に揃っている磁気的な微小領域であり、磁壁は、相異なる磁化方向を持つ磁区の境界部である。磁区及び磁壁は、磁性体に印加される電流により移動できる。磁区及び磁壁の移動原理を利用すれば、回転する機械装置を使用せずに保存容量の大きい情報保存装置を具現できると予想される。
しかし、磁区は非常に小さくて、例えば、１０ｎｍほどの長さを持つように作ることができる一方、再生手段や記録手段の場合、リソグラフィー工程などの限界で磁区のように小さくは作り難い。現在技術では、再生手段や記録手段の線間幅は５０〜６０ｎｍほどまで縮めることができる。したがって、再生手段（または記録手段）の大きさに磁区の大きさを合せる場合、磁区の大きさは最小限５０〜６０ｎｍほどにはならねばならないので、記録密度を高め難い。かかる先行技術文献には、特許文献１がある。
米国特許出願公開第２００８／０１６５５７６号明細書
本発明の一側面は、複数の磁区領域及びそれらの間に磁壁領域を持つ磁気トラックを提供する。
本発明の他の側面は、磁区及び磁壁の移動原理を利用する情報保存装置を提供する。
本発明のさらに他の側面は、前記情報保存装置の動作方法を提供する。
本発明の一実施形態は、第１磁区領域と、前記第１磁区領域と長さの異なる少なくとも１つの第２磁区領域と、を備え、前記第１及び第２磁区領域で磁壁移動速度の異なる磁気トラックを提供する。
前記第１磁区領域の長さは、前記第２磁区領域の長さより長い。
前記第１磁区領域での磁壁移動速度は、前記第２磁区領域での磁壁移動速度より速い。
前記第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、前記第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び前記第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たす。
前記第１及び第２磁区領域は、物性が相異なる。
前記第１及び第２磁区領域は、スピン分極（ｓｐｉｎ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ：Ｓｐ）、飽和磁化量（ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｚａｔｉｏｎ：Ｍｓ）及び磁気異方性エネルギー定数（ｍａｇｎｅｔｉｃ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｔａｎｔ：Ｋｕ）のうち少なくとも１つが異なる。
前記第１及び第２磁区領域のうち、磁壁移動速度が相対的に速い１つのスピン分極は、他の１つのスピン分極より大きい。
前記第１及び第２磁区領域のうち、磁壁移動速度が相対的に速い１つの飽和磁化量は、他の１つの飽和磁化量より小さい。
前記第１及び第２磁区領域は、幅及び厚さのうち少なくとも１つが異なる。
前記第１及び第２磁区領域のうち、磁壁移動速度が相対的に速い１つの幅は、他の１つの幅より小さい。
前記第１及び第２磁区領域のうち、磁壁移動速度が相対的に速い１つの厚さは、他の１つの厚さより薄い。
前記第１磁区領域の両端のうち少なくとも１つに、複数の前記第２磁区領域が直列に連結されうる。
本発明の他の実施形態は、第１磁区領域と、前記第１磁区領域より長さが短い少なくとも１つの第２磁区領域を含む複数の磁区領域と、前記複数の磁区領域間に備えられた磁壁領域と、を備え、前記第１磁区領域は、情報記録／再生領域である磁気トラックを提供する。
前記第１磁区領域での磁壁移動速度は、前記第２磁区領域での磁壁移動速度より速い。
前記第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、前記第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び前記第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たす。
本発明の他の実施形態は、複数の磁区領域及びそれらの間に磁壁領域を持ち、前記複数の磁区領域は、第１磁区領域及び、前記第１磁区領域より長さの短い少なくとも１つの第２磁区領域を含む磁気トラックと、前記第１磁区領域に、情報の記録及び再生のうち少なくとも１つを行う第１ユニットと、前記磁壁領域の磁壁を移動させるための磁壁移動手段と、を備える情報保存装置を提供する。
前記第１磁区領域での磁壁移動速度は、前記第２磁区領域での磁壁移動速度より速い。
前記第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、前記第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び前記第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たす。
前記第１及び第２磁区領域は、物性が相異なる。
前記第１及び第２磁区領域は、スピン分極、飽和磁化量及び磁気異方性エネルギー定数のうち少なくとも１つが異なる。
前記第１磁区領域のスピン分極は、前記第２磁区領域のスピン分極より大きい。
前記第１磁区領域の飽和磁化量は、前記第２磁区領域の飽和磁化量より小さい。
前記第１及び第２磁区領域は、幅及び厚さのうち少なくとも１つが異なる。
前記第１磁区領域の幅は、前記第２磁区領域の幅より小さい。
前記第１磁区領域の厚さは、前記第２磁区領域の厚さより薄い。
前記第１磁区領域の両端のうち少なくとも１つに、複数の前記第２磁区領域が直列に連結されうる。
前記第１ユニットは、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子またはＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子である。
本発明の実施形態によれば、磁区領域の長さによって磁壁移動速度が調節された磁気トラックを具現できる。これらの磁気トラックを情報保存装置に適用すれば、記録／再生ユニットが備えられる第１磁区領域のみ選択的に大きく形成し、残りの磁区領域は小さく形成できるので、記録密度を高めることができる。
本発明の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す断面図である。 本発明の実施形態による情報保存装置に備えられる記録／再生ユニットを示す断面図である。 本発明の実施形態による情報保存装置に備えられる記録／再生ユニットを示す断面図である。 本発明の実施形態によるスピン分極の相異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による飽和磁化量の相異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による磁気異方性エネルギー定数の相異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による幅の異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度の変化を示すグラフである。 本発明の実施形態による厚さの異なる２種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度の変化を示すグラフである。 本発明の他の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す平面図である。 本発明の他の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す平面図である。 本発明の他の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す断面図である。 本発明の他の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す断面図である。
以下、本発明の実施形態による磁気トラック、磁気トラックを備える情報保存装置、前記情報保存装置の動作方法及び前記磁気トラックと前記情報保存装置の製造方法を、添付した図面を参照して詳細に説明する。この過程で図面に図示された層や領域の厚さは、明細書の明確性のために多少誇張して図示されている。詳細な説明全体にかけて同じ参照番号は同じ構成要素を表す。
図１は、本発明の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す。
図１を参照すれば、所定方向、例えば、Ｘ軸方向に延びている磁気トラック１００が備えられうる。磁気トラック１００は、強磁性物質で形成された情報保存層でありうる。例えば、磁気トラック１００は、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅのうち少なくとも１つを含むことができ、その他の物質をさらに含むことができる。磁気トラック１００は第１磁区領域ｄ１を含むことができ、第１磁区領域ｄ１と長さの異なる少なくとも１つの第２磁区領域ｄ２を含むことができる。第１磁区領域ｄ１は記録／再生領域であり、第１磁区領域ｄ１の長さｌ１は、第２磁区領域ｄ２の長さｌ２より長い。第１磁区領域ｄ１の長手方向に沿う両側面のうち、少なくとも１つに複数の第２磁区領域ｄ２が直列に連続配列される。言い換えれば、磁気トラック１００は連続配列された複数の磁区領域を持つことができるが、そのうち、１つは第１磁区領域ｄ１であり、残りは第２磁区領域ｄ２でありうる。磁気トラック１００で第１磁区領域ｄ１を除外した残りの領域を参照番号Ｒ１で表示した。前記残りの領域Ｒ１は、複数の第２磁区領域ｄ２で構成できる。図１では、第１磁区領域ｄ１の両側に複数の第２磁区領域ｄ２が配列された場合について図示したが、第１磁区領域ｄ１の一側のみに複数の第２磁区領域ｄ２が備えられることもある。すなわち、第１磁区領域ｄ１は、磁気トラック１００の端部に位置できる。第１磁区領域ｄ１の位置は多様に変化できる。また第１磁区領域ｄ１は、２つ以上備えられてもよい。２つの第１磁区領域ｄ１が備えられる場合、１つは磁気トラック１００の一端に、他の１つは磁気トラック１００の他端に備えられる。そして、３つ以上の第１磁区領域ｄ１が備えられる場合、それらは等間隔で備えられうる。
隣接した２つの磁区領域間、すなわち、第１磁区領域ｄ１と、それと隣接した第２磁区領域ｄ２との間及び、隣接した２つの第２磁区領域ｄ２の間に磁壁領域ＤＷが備えられうる。磁壁領域ＤＷは、磁壁がピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）される地点であって、２次元的に図示したが、実際は所定の体積を持つ３次元的な領域でありうる。例えば、磁壁領域ＤＷは、ドーピング領域であるか、または切り欠き（ノッチ）が形成された領域でありうる。言い換えれば、ドーピングや切り欠きを形成する方法などで磁壁領域ＤＷを限定できる。前記切り欠きは、磁気トラック１００のＹ軸方向に沿う両側面に形成されたものでありうる。磁壁領域ＤＷが限定されることによって、複数の磁区領域、すなわち、第１及び第２磁区領域ｄ１、ｄ２が限定される。図１で磁気トラック１００は、ライン形態に図示したが、その形状は多様に変形できる。
第１磁区領域ｄ１に第１ユニット２００が備えられうる。第１ユニット２００の長さは、第１磁区領域ｄ１の長さｌ１と同一また類似している。第１ユニット２００は、例えば、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用する素子（以下、ＴＭＲ素子）であるか、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を利用する素子（以下、ＧＭＲ素子）であり、記録ユニット、再生ユニット及び記録／再生ユニットのうちいずれか１つでありうる。図１で第１ユニット２００は、第１磁区領域ｄ１の下面に備えられていると図示したが、下面ではなく上面に備えられるか、下面及び上面に分けて備えられうる。第１磁区領域ｄ１が２つ以上存在する場合、それぞれの第１磁区領域ｄ１に第１ユニット２００が備えられうる。第１ユニット２００については後で具体的に説明する。
磁気トラック１００に連結された磁壁移動手段３００が備えられうる。磁壁移動手段３００は、電源を備えることができる。前記電源は、パルス電流を発生させる電流源でありうる。磁壁移動手段３００は、前記電源と磁気トラック１００との間にトランジスタやダイオードなどのスイッチング素子をさらに備えることができる。図１で、磁壁移動手段３００は、磁気トラック１００の一端に連結されていると図示されているが、磁気トラック１００の他端または両端に連結されうる。磁壁移動手段３００で磁気トラック１００に印加されるパルス電流により、磁区領域（第１及び第２磁区領域ｄ１、ｄ２）に位置する磁区及び磁壁領域ＤＷに位置する磁壁が、所定方向に１ビットずつ移動できる。すなわち、ｎ番目磁区領域（第１または第２磁区領域ｄ１、ｄ２）に位置する磁区と、ｎ番目の磁壁領域ＤＷに位置する磁壁とが、前記パルス電流によりｎ＋１番目（またはｎ−１番目）磁区領域（第１または第２磁区領域ｄ１、ｄ２）及びｎ＋１番目（またはｎ−１番目）磁壁領域ＤＷに移動することができる。電子と電流の方向は逆であるため、磁区及び磁壁は電流と逆方向に移動することができる。
複数の磁区領域それぞれは１ビットに対応できるので、前記パルス電流により第１地点Ｐ１に位置する磁壁は第２地点Ｐ２に移動し、第２地点Ｐ２に位置する磁壁は第３地点Ｐ３に移動することができる。あるいは、第２地点Ｐ２の磁壁が第１地点Ｐ１に移動し、第３地点Ｐ３の磁壁が第２地点Ｐ２に移動することができる。したがって、第１磁区領域ｄ１での磁壁移動速度Ｖ１は、第２磁区領域ｄ２での磁壁移動速度Ｖ２より速い。例えば、第１磁区領域ｄ１の長さｌ１、第２磁区領域ｄ２の長さｌ２、第１磁区領域ｄ１での磁壁移動速度Ｖ１及び第２磁区領域ｄ２での磁壁移動速度Ｖ２は、次の式を満たすことができる。
Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２ （数式１）
これらの磁壁移動速度の差を引き起こすために、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２との物性及び／または寸法（厚さ、幅）などを異ならせることができる。これについては、後でさらに詳細に説明する。
以下、図２及び図３を参照して、図１の第１ユニット２００の構造をさらに具体的に説明する。
図２を参照すれば、第１ユニット２００Ａは、第１磁区領域ｄ１の下面及び上面のうち１面、例えば、下面に備えられた第１固定層（ｐｉｎｎｅｄ ｌａｙｅｒ）４０ａを備えることができ、第１固定層４０ａと第１磁区領域ｄ１との間に介された（ｉｎｔｅｒｐｏｓｅｄ）第１分離層２０ａを備えることができる。第１分離層２０ａは、絶縁層または導電層でありうる。第１分離層２０ａが絶縁層である場合、第１ユニット２００ＡはＴＭＲ素子であり、第１分離層２０ａが導電層である場合、第１ユニット２００ＡはＧＭＲ素子である。また第１ユニット２００Ａは、第１固定層４０ａの下面に備えられた第１電極６０ａと、第１磁区領域ｄ１の上面に備えられた第２電極６０ｂとをさらに備えることができる。第２電極６０ｂと第１磁区領域ｄ１との間には、磁気トラック１００より電気抵抗の高い抵抗性層３０がさらに備えられうる。抵抗性層３０は、磁気トラック１００に磁区及び磁壁移動のための電流を印加した時、前記電流が第１ユニット２００Ａに漏れることを防止する電気的バリアのような役割を行え、第１電極６０ａと第２電極６０ｂとの間に電流を印加した時は、その流れをほとんど妨害しない。このために、抵抗性層３０は適当な電気抵抗を持つ物質で適当に薄い厚さに形成できる。例えば、抵抗性層３０の比抵抗は、磁気トラック１００の比抵抗の５００〜１００００倍、狭くは、１０００〜３０００倍ほどでありうる。これらの比抵抗差のために、磁気トラック１００は、ＮｉＦｅ、Ｃｏ、ＣｏＮｉ、ＣｏＦｅ、ＣｏＣｒ、ＣｏＣｕ、ＮｉＣｕ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｄ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＦｅＴｂ、ＣｏＦｅＧｄ、ＣｏＴｂ及びＣｏＦｅＮｉのうちいずれか１つで形成し、抵抗性層３０は、非晶質のＣｏＺｒＮｂ及びＣｏＦｅＢのうちいずれか１つで形成するか、Ｓｉ、Ｂなどの不純物を含んで高い比抵抗を持つ磁性物質で形成してもよい。第１分離層２０ａが導電層である場合、磁気トラック１００と第１分離層２０ａとの間にも前記抵抗性層３０と同じ層がさらに備えられうる。
図２に図示されていないが、第１固定層４０ａと第１電極６０ａとの間に、第１固定層４０ａの磁化方向を固定させるための少なくとも１つの層がさらに備えられうる。前記少なくとも１つの層は、反強磁性の磁気トラックを備えることができる。第１固定層４０ａの磁化方向を固定させるための層の構成は周知であるため、それについての詳細な説明は省略する。
図３は、図２の第１ユニット２００Ａと異なる構造の第１ユニット２００Ｂを示す。
図３を参照すれば、第１ユニット２００Ｂは、第１磁区領域ｄ１の下面に備えられた第１固定層４０ａと、第１磁区領域ｄ１の上面に備えられた第２固定層４０ｂとを備えることができる。第１固定層４０ａと第２固定層４０ｂとの磁化方向は互いに逆でありうる。第１固定層４０ａと第１磁区領域ｄ１との間に第１分離層２０ａが備えられ、第２固定層４０ｂと第１磁区領域ｄ１との間に第２分離層２０ｂが備えられる。第１分離層２０ａ及び第２分離層２０ｂは、絶縁層または導電層でありうる。第１分離層２０ａ及び第２分離層２０ｂが導電層である場合、第１分離層２０ａと第１磁区領域ｄ１との間及び、第２分離層２０ｂと第１磁区領域ｄ１との間に、図２の抵抗性層３０と同じ層が備えられうる。第１固定層４０ａの下面に第１電極６０ａが備えられ、第２固定層４０ｂの上面に第２電極６０ｂが備えられる。
以下、図２及び図３の第１ユニット２００Ａ、２００Ｂを利用した情報の記録及び再生方法を簡略に説明する。
＜記録方法＞
図２の第１ユニット２００Ａに所定方向の書き込み電流を印加することによって、第１磁区領域ｄ１に所定の情報を記録できる。前記書き込み電流の方向によって、第１磁区領域ｄ１に記録される情報の種類が変わりうる。例えば、第２電極６０ｂから第１電極６０ａに第１書き込み電流を印加すれば、電子は、第１電極６０ａから第２電極６０ｂに流れる。この時、第１固定層４０ａと同じスピン方向を持つ電子のみ第１固定層４０ａを通過して、第１磁区領域ｄ１にスピン転移トルクを印加し、第１固定層４０ａと逆のスピン方向を持つ電子は第１固定層４０ａを通過できない。したがって、第１磁区領域ｄ１は、第１固定層４０ａと同じ方向に磁化できる。この時、第１磁区領域ｄ１に情報‘０’が記録されたといえる。一方、第１電極６０ａから第２電極６０ｂに第２書き込み電流を印加すれば、電子は第２電極６０ｂから第１電極６０ａに流れる。この時、第１固定層４０ａと同じスピン方向を持つ電子は、第１固定層４０ａを通過して第１電極６０ａに流れ、第１固定層４０ａと逆のスピン方向を持つ電子は、第１固定層４０ａを通過できずに第１磁区領域ｄ１に戻って、第１磁区領域ｄ１にスピン転移トルクを印加する。したがって、第１磁区領域ｄ１は、第１固定層４０ａと逆方向に磁化される。この時、第１磁区領域ｄ１に情報‘１’が記録されたといえる。このように、第１ユニット２００Ａに所定の書き込み電流を印加して、第１磁区領域ｄ１の磁区に情報‘０’または‘１’を記録できる。一方、図３の第１ユニット２００Ｂを使用する場合、磁気トラック１００の下側及び上側の２つの固定層４０ａ、４０ｂから第１磁区領域ｄ１にスピン転移トルクが印加されうるので、図２の第１ユニット２００Ａを使用する場合より小さな電流でも記録動作を行える。
前記書き込み電流を印加するステップと磁気トラック１００の磁壁を所定方向に１ビットほど移動させるステップとを繰り返し行えば、磁気トラック１００に複数の情報を記録できる。
＜再生方法＞
図２の第１磁区領域ｄ１に記録された情報を再生するために、第１ユニット２００Ａに再生電流を印加できる。第１磁区領域ｄ１に記録された情報の種類によって前記再生電流の抵抗が変わるので、第１磁区領域ｄ１に記録された情報を判別できる。前記再生電流は第１電極６０ａと第２電極６０ｂとの間に印加するか、磁気トラック１００の両端のうち１つと第１電極６０ａとの間に印加できる。磁気トラック１００の両端のうち１つと第１電極６０ａとの間に前記再生電流を印加するとしても、第１磁区領域ｄ１を除外した残りの磁区領域、すなわち、第２磁区領域ｄ２の磁化状態は、前記再生電流に大きい影響を与えない。すなわち、第１ユニット２００Ａが形成された第１磁区領域ｄ１の磁化状態が、前記再生電流の大きさを決定する支配的な役割を行える。一方、図３の第１ユニット２００Ｂの場合、第１電極６０ａ及び第２電極６０ｂのうち１つと、磁気トラック１００の両端のうち１つとの間に前記再生電流を印加できる。
前記再生電流を印加して第１磁区領域ｄ１の情報を判別するステップと、磁気トラック１００の磁壁を所定方向に１ビットほど移動させるステップを繰り返し行えば、磁気トラック１００に記録された複数の情報を再生できる。
前述したように、磁気トラック１００の磁壁を所定方向に移動させる時、第１磁区領域ｄ１での磁壁移動速度は、第２磁区領域ｄ２での磁壁移動速度より速い。例えば、図１で第１地点Ｐ１に位置する磁壁が第２地点Ｐ２に移動する間に、第２地点Ｐ２に位置する磁壁は第３地点Ｐ３に移動することができる。
磁壁移動速度の差は、図１の第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２、すなわち、第１磁区領域ｄ１と残りの領域Ｒ１との物性及び／または寸法などの差に起因する。さらに具体的に説明すれば、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２とのスピン分極Ｓｐ、飽和磁化量Ｍｓ及び磁気異方性エネルギー定数Ｋｕのうち少なくとも１つが異なる時、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２とで磁壁移動速度が変わりうる。また、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２との厚さ及び幅のうち少なくとも１つが異なる時、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２とでの磁壁移動速度が変わりうる。以下では、図４ないし図８を参照して、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２とでの磁壁移動速度が変わる原理について詳細に説明する。
図４は、スピン分極Ｓｐが相異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度ＶＤＷの変化を示す。
図４を参照すれば、スピン分極Ｓｐが増加するにつれて磁壁移動速度ＶＤＷが増加することが分かる。したがって、図１の構造を製造するに当って、磁気トラック１００で第１磁区領域ｄ１のスピン分極Ｓｐを選択的に増加させることによって、第１磁区領域ｄ１での磁壁移動速度を高めることができる。スピン分極Ｓｐを高める方法には、例えば、気相吸着（ｇａｓｅｏｕｓ ａｄｓｏｒｂａｔｅ）方法などがある。すなわち、第１磁区領域ｄ１のみ所定の気相に露出させて第１磁区領域ｄ１のみに前記ガス相を吸着させることができ、その結果、第１磁区領域ｄ１のスピン分極Ｓｐを増加させることができる。その他の方法でも、第１磁区領域ｄ１と残りの領域Ｒ１とのスピン分極Ｓｐ差を引き起こすことができる。
図５は、飽和磁化量Ｍｓが相異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度ＶＤＷの変化を示す。
図５を参照すれば、飽和磁化量Ｍｓが減少するにつれて磁壁移動速度ＶＤＷが増加することが分かる。したがって図１の構造を製造するに当って、第１磁区領域ｄ１の飽和磁化量Ｍｓを第２磁区領域ｄ２の飽和磁化量Ｍｓより小さくして、第１磁区領域ｄ１で磁壁を相対的に速く動かすことができる。例えば、軟磁性層を第１磁区領域ｄ１の表面に付着すれば、前記軟磁性層により第１磁区領域ｄ１の飽和磁化量Ｍｓが減少できる。前記軟磁性層は、図２の第１磁区領域ｄ１と第１分離層２０ａとの間及び、第１磁区領域ｄ１と抵抗性層３０との間のうち、少なくとも１つに介され、図３の第１磁区領域ｄ１と第１分離層２０ａとの間及び、第１磁区領域ｄ１と第２分離層２０ｂとの間のうち、少なくとも１つに介されうる。前記軟磁性層を使用する方法の代りに、またはそれと合せて、他の方法を使用してもよい。例えば、第１磁区領域ｄ１は、飽和磁化量Ｍｓの小さな第１物質で形成し、第２磁区領域ｄ２は、飽和磁化量Ｍｓの大きい第２物質で形成して飽和磁化量Ｍｓの差を引き起こすことができる。
図６は、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが相異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度ＶＤＷの変化を示す。
図６を参照すれば、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが増加するにつれて、磁壁移動速度ＶＤＷが増加してから減少することが分かる。さらに具体的に説明すれば、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが２×１０６ｅｒｇ／ｃｃである磁気トラックサンプルでの磁壁移動速度ＶＤＷは、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが１×１０６ｅｒｇ／ｃｃである磁気トラックサンプルでの磁壁移動速度ＶＤＷより非常に速い。ところが、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが３×１０６ｅｒｇ／ｃｃである磁気トラックサンプルでの磁壁移動速度ＶＤＷは、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが２×１０６ｅｒｇ／ｃｃである磁気トラックサンプルでの磁壁移動速度ＶＤＷより多少遅い。これは、所定の臨界値まで磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが増加するにつれて、磁壁移動速度ＶＤＷが速くなるが、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが前記臨界値より大きくなれば、磁壁移動速度ＶＤＷはかえって多少遅くなるということを示す。磁気異方性エネルギー定数Ｋｕは、磁気トラック１００の結晶性に関連した物質定数でありうる。例えば、磁気トラック１００の結晶性に優れるほど、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕは大きくなりうる。したがって、図１の構造の製造に当って、第１磁区領域ｄ１の結晶性と第２磁区領域ｄ２の結晶性、すなわち、第１磁区領域ｄ１の結晶性と残りの領域Ｒ１の結晶性とを変えれば、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２との磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが変わり、それにより、第１磁区領域ｄ１と第２磁区領域ｄ２とでの磁壁移動速度が変わりうる。例えば、ＨｅやＧａイオンのような不純物イオンを磁気トラック１００の所定領域に注入すれば、前記所定領域の磁気異方性エネルギー定数Ｋｕが選択的に減少できる。ここで、前記所定領域は第１磁区領域ｄ１であるか、複数の第２磁区領域ｄ２でありうる。不純物イオンをドーピングする方法以外に、他の方法も可能である。例えば、第１磁区領域ｄ１と複数の第２磁区領域ｄ２とを相異なる結晶特性を持つ下部層上に形成することによって、第１磁区領域ｄ１と複数の第２磁区領域ｄ２との結晶性を変えることもできる。これは、前記下部層の結晶特性によってその上に形成される磁性層の結晶性が変わりうるためである。
図７は、幅の異なる３種の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度ＶＤＷの変化を示す。
図７を参照すれば、磁気トラックサンプルの幅が減少するにつれて磁壁移動速度ＶＤＷが速くなることが分かる。磁気トラックサンプルの幅は、印加電流の密度と反比例する。したがって、図１の磁気トラック１００で第１磁区領域ｄ１の幅（すなわち、Ｙ軸方向への長さ）は３２ｎｍであり、複数の第２磁区領域ｄ２の幅は６４ｎｍである場合、第１磁区領域ｄ１に６０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れれば、複数の第２磁区領域ｄ２には３０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる。図７から、３２ｎｍの幅を持つ磁気トラックに６０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる時、磁壁は５５．６ｍ／ｓほどの速度で動き、６４ｎｍの幅を持つ磁気トラックに３０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる時、磁壁は２２．４ｍ／ｓほどの速度で動くことが分かる。したがって、第１磁区領域ｄ１の幅が３２ｎｍであり、第２磁区領域ｄ２の幅が６４ｎｍであり、第１磁区領域ｄ１に６０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる場合、第１磁区領域ｄ１での磁壁移動速度（約５５．６ｍ／ｓ）は、第２磁区領域ｄ２での磁壁移動速度（約２２．４ｍ／ｓ）より２．５倍ほど速い。
図８は、厚さの異なる２種類の磁気トラックサンプルの印加電流密度による磁壁移動速度ＶＤＷの変化を示す。
図８を参照すれば、磁気トラックサンプルの厚さが減少するにつれて磁壁移動速度ＶＤＷが速くなることが分かる。磁気トラックサンプルの厚さは印加電流の密度と反比例する。したがって、図１の磁気トラック１００で第１磁区領域ｄ１の厚さが５ｎｍであり、複数の第２磁区領域ｄ２の厚さが１０ｎｍである場合、第１磁区領域ｄ１に６０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れれば、複数の第２磁区領域ｄ２に３０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる。図８から、５ｎｍの厚さを持つ磁気トラックに６０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる時、磁壁は５３．５ｍ／ｓほどの速度で動き、１０ｎｍの厚さを持つ磁気トラックに３０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる時、磁壁は５．５ｍ／ｓほどの速度で動くことが分かる。したがって、第１磁区領域ｄ１の厚さが５ｎｍであり、第２磁区領域ｄ２の厚さが１０ｎｍであり、第１磁区領域ｄ１に６０ＭＡ／ｃｍ２の電流が流れる場合、第１磁区領域ｄ１での磁壁移動速度（約５３．５ｍ／ｓ）は、第２磁区領域ｄ２での磁壁移動速度（約５．５ｍ／ｓ）より１０倍ほど速い。
下の表１は、図４ないし図８の結果に基づいたものであって、磁気トラックの物質定数及び寸法（幅及び厚さ）の変化による磁壁移動速度の変化程度を示す。
Figure 2010141340
表１を参照すれば、磁気トラックの幅及び厚さを変化させる場合、特に、磁気トラックの厚さを変化させる場合、物質定数を変化させる場合より磁壁移動速度の変化が大きいということが分かる。
本実施形態では、磁気トラック１００で第１ユニット２００が形成される領域、すなわち、第１磁区領域ｄ１のスピン分極Ｓｐ、飽和磁化量Ｍｓ、磁気異方性エネルギー定数Ｋｕ、幅及び厚さのうち少なくともいずれか１つを、第１磁区領域ｄ１を除外した残りの領域Ｒ１と異ならせることによって、第１磁区領域ｄ１で磁壁を相対的に速く動かすことができる。したがって、前述した数式１を満たす磁気トラック１００及びそれを備える情報保存装置を具現できる。
このように、本発明の実施形態によれば、磁区領域の長さによって磁壁移動速度の異なる磁気トラック１００を具現できる。また、これらの磁気トラック１００を情報保存装置に適用すれば、磁気トラック１００で第１ユニット２００が備えられる磁区領域（第１磁区領域）ｄ１のみ選択的に大きく形成し、残りの磁区領域は小さく形成できる。すなわち、第１ユニット２００の大きさと関係なく前記残りの磁区領域の大きさをなるべく小さくすることができる。したがって、記録密度を高めることができる。また第１ユニット２００を前記残りの磁区領域のように小さくする必要がないので、第１ユニット２００を容易に形成できる。
図９Ａ及び図９Ｂは、本発明の他の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す平面図である。本実施形態は、図１の第１磁区領域ｄ１と残りの領域Ｒ１との幅が異なる場合に対応する。
図９Ａを参照すれば、磁気トラック１００ａで第１ユニット２００が形成される第１磁区領域ｄ１’は相対的に小さな第１幅ｗ１を持つことができ、それを除外した残りの磁区領域、すなわち、第２磁区領域ｄ２’は、相対的に大きい第２幅ｗ２を持つことができる。第１磁区領域ｄ１’と第２磁区領域ｄ２’との間には、一種の磁壁領域の連結領域ＤＷ１’が備えられうる。連結領域ＤＷ１’の幅は、第２磁区領域ｄ２’から第１磁区領域ｄ１’へ行くほど順次狭くなりうる。隣接した第２磁区領域ｄ２’の間の磁壁領域ＤＷも２次元的に図示したが、実際は所定の体積を持つ３次元的な領域でありうる。図９Ａで第１磁区領域ｄ１’の中心と第２磁区領域ｄ２’の中心とは同一直線上に位置できる。しかし、他の実施形態の場合、第１磁区領域ｄ１’と第２磁区領域ｄ２’との相対的な位置は変わりうる。その一例が図９Ｂに図示されている。
図９Ｂの第１磁区領域ｄ１”は、図９Ａの第１磁区領域ｄ１’より図面の下方（Ｙ軸の逆方向）に位置する。この場合、磁気トラック１００ｂの一側面は平坦である。図９Ｂで第１磁区領域ｄ１”と第２磁区領域ｄ２”との連結領域ＤＷ１”の幅は、図９Ａの連結領域ＤＷ１’と類似して第２磁区領域ｄ２”から第１磁区領域ｄ１”へ行くほど狭くなる。
図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の他の実施形態による磁気トラック及びそれを備える情報保存装置を示す断面図である。本実施形態は、図１の第１磁区領域ｄ１と残りの領域Ｒ１との厚さが異なる場合に対応する。
図１０Ａを参照すれば、磁気トラック１００ｃで第１ユニット２００が形成される第１磁区領域ｄ１１’は、相対的に小さな第１厚さｔ１を持つことができ、それを除外した残りの磁区領域、すなわち、第２磁区領域ｄ２２’は相対的に大きい第２厚さｔ２を持つことができる。第１磁区領域ｄ１１’と第２磁区領域ｄ２２’との間には、一種の磁壁領域である連結領域ＤＷ２’が備えられうる。連結領域ＤＷ２’の厚さは、第２磁区領域ｄ２２’から第１磁区領域ｄ１１’へ行くほど順次薄くなりうる。図１０Ａでは、磁気トラック１００ｃの下面は平坦であり、磁気トラック１００ｃの上面に溝（ｇｒｏｏｖｅ）が形成されて第１磁区領域ｄ１１’の厚さが相対的に薄くなった場合について図示したが、この構造は多様に変形される。その一例が、図１０Ｂに図示されている。
図１０Ｂの構造は、図１０Ａの構造を上下にひっくり返した構造と類似している。図１０Ｂの第１磁区領域ｄ１１”は、図１０Ａの第１磁区領域ｄ１１’より図面の上側に位置する。この場合、磁気トラック１００ｄの上面は平坦でありうる。図１０Ｂで第１磁区領域ｄ１１”と第２磁区領域ｄ２２”との間の連結領域ＤＷ２”の厚さは、図１０Ａの連結領域ＤＷ２’と類似して、第２磁区領域ｄ２”から第１磁区領域ｄ１”へ行くほど順次薄くなりうる。
図９Ａないし図１０Ｂで、参照番号２００は、第１領域ｄ１’、ｄ１”、ｄ１１’、ｄ１１”に備えられる第１ユニットを表す。第１ユニット２００の一部を先ず形成し、その上に磁気トラック１００ａ〜１００ｄを形成した後、第１ユニット２００の残りを形成できる。そして図９Ａないし図１０Ｂで、連結領域ＤＷ１’、ＤＷ１”、ＤＷ２’、ＤＷ２”を具備させることは選択的である。一方、図示していないが、磁気トラック１００ａ〜１００ｄに図１の磁壁移動手段３００と同じ手段が連結されうる。
前記の説明で多くの事項が具体的に記載されているが、それらは発明の範囲を限定するものというより、具体的な実施形態の例示として解釈されねばならない。例えば、当業者ならば、図１ないし図３及び図９Ａないし図１０Ｂの構造は多様に変形できるということが分かるであろう。また図１ないし図３及び図９Ａないし図１０Ｂで磁気トラック１００、１００ａ〜１００ｄ、第１固定層４０ａ及び第２固定層４０ｂは垂直磁気異方性または水平磁気異方性を持つことが分かるであろう。したがって、本発明の範囲は説明された実施形態によって定められるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想により定められねばならない。
本発明は、ＨＤＤと不揮発性ＲＡＭなどの不揮発性情報保存装置に好適に用いられる。
１００ 磁気トラック
２００ 第１ユニット
３００ 磁壁移動手段
ｄ１ 第１磁区領域
ｄ２ 第２磁区領域
ＤＷ 磁壁領域
ｌ１ 第１磁区領域の長さ
ｌ２ 第２磁区領域の長さ
Ｐ１ 第１地点
Ｐ２ 第２地点
Ｐ３ 第３地点
Ｒ１ 残りの領域

Claims (23)

  1. 第１磁区領域と、
    前記第１磁区領域と長さの異なる少なくとも１つの第２磁区領域と、を備え、
    前記第１及び第２磁区領域で磁壁移動速度の異なることを特徴とする磁気トラック。
  2. 前記第１磁区領域の長さは、前記第２磁区領域の長さより長いことを特徴とする請求項１に記載の磁気トラック。
  3. 前記第１磁区領域での磁壁移動速度は、前記第２磁区領域での磁壁移動速度より速いことを特徴とする請求項１または２に記載の磁気トラック。
  4. 前記第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、前記第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び前記第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たすことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の磁気トラック。
  5. 前記第１及び第２磁区領域は、物性が相異なることを特徴とする請求項１から４の何れか一項に記載の磁気トラック。
  6. 前記第１及び第２磁区領域は、幅及び厚さのうち少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１から５の何れか一項に記載の磁気トラック。
  7. 前記第１及び第２磁区領域は、スピン分極Ｓｐ、飽和磁化量Ｍｓ及び磁気異方性エネルギー定数Ｋｕのうち少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１から６の何れか一項に記載の磁気トラック。
  8. 前記第１磁区領域の両端のうち少なくとも１つに、複数の前記第２磁区領域が直列に連結されたことを特徴とする請求項１から７の何れか一項に記載の磁気トラック。
  9. 第１磁区領域と、
    前記第１磁区領域より長さが短い少なくとも１つの第２磁区領域を含む複数の磁区領域と、
    前記複数の磁区領域間に備えられた磁壁領域と、を備え、
    前記第１磁区領域は、情報記録／再生領域であることを特徴とする磁気トラック。
  10. 前記第１磁区領域での磁壁移動速度は、前記第２磁区領域での磁壁移動速度より速いことを特徴とする請求項９に記載の磁気トラック。
  11. 前記第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、前記第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び前記第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たすことを特徴とする請求項９または１０に記載の磁気トラック。
  12. 請求項９から１１の何れか一項に記載の磁気トラックと、
    前記第１磁区領域に、情報の記録及び再生のうち少なくとも１つを行う第１ユニットと、
    前記磁壁領域の磁壁を移動させるための磁壁移動手段と、を備えることを特徴とする情報保存装置。
  13. 前記第１磁区領域での磁壁移動速度は、前記第２磁区領域での磁壁移動速度より速いことを特徴とする請求項１２に記載の情報保存装置。
  14. 前記第１磁区領域の長さｌ１、前記第２磁区領域の長さｌ２、前記第１磁区領域での磁壁移動速度Ｖ１及び前記第２磁区領域での磁壁移動速度Ｖ２は、Ｖ１＝（ｌ１／ｌ２）×Ｖ２を満たすことを特徴とする請求項１２または１３に記載の情報保存装置。
  15. 前記第１及び第２磁区領域は、物性が相異なることを特徴とする請求項１２から１４の何れか一項に記載の情報保存装置。
  16. 前記第１及び第２磁区領域は、幅及び厚さのうち少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１２から１５の何れか一項に記載の情報保存装置。
  17. 前記第１及び第２磁区領域は、スピン分極、飽和磁化量及び磁気異方性エネルギー定数のうち少なくとも１つが異なることを特徴とする請求項１２から１６の何れか一項に記載の情報保存装置。
  18. 前記第１磁区領域のスピン分極は、前記第２磁区領域のスピン分極より大きいことを特徴とする請求項１２から１７の何れか一項に記載の情報保存装置。
  19. 前記第１磁区領域の飽和磁化量は、前記第２磁区領域の飽和磁化量より小さいことを特徴とする請求項１２から１８の何れか一項に記載の情報保存装置。
  20. 前記第１磁区領域の幅は、前記第２磁区領域の幅より小さいことを特徴とする請求項１２から１９の何れか一項に記載の情報保存装置。
  21. 前記第１磁区領域の厚さは、前記第２磁区領域の厚さより小さいことを特徴とする請求項１２から２０の何れか一項に記載の情報保存装置。
  22. 前記第１磁区領域の両端のうち少なくとも１つに、複数の前記第２磁区領域が直列に連結されたことを特徴とする請求項１２から２１の何れか一項に記載の情報保存装置。
  23. 前記第１ユニットは、ＴＭＲ素子またはＧＭＲ素子であることを特徴とする請求項１２から２２の何れか一項に記載の情報保存装置。
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