JP2011086932A - 磁気抵抗素子、それを含む情報保存装置及び該情報保存装置の動作方法 - Google Patents

磁気抵抗素子、それを含む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】磁気抵抗素子、それを含む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】固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層を備えた磁気抵抗素子。自由層の磁化容易軸は固定層の磁化方向と垂直である。または自由層の磁化容易軸と固定層の磁化方向とは、所定の鋭角または鈍角をなしうる。かかる磁気抵抗素子は、磁区壁移動を利用した情報保存装置に適用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁気抵抗素子を含む情報保存装置及びそ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保持される不揮発性情報保存装置には、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）と不揮発性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。フラッシュメモリは、回転する機械装置を使用しないが、読み出し／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ほうである。
これにより、最近では従来の不揮発性情報保存装置の問題点を乗り越えるための方案として、磁性物質の磁区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えられている磁気的な微小領域であり、磁区壁は、相異なる磁化方向を持つ磁区の境界部である。磁区及び磁区壁は、磁性トラックに印加される電流により移動されうる。磁区及び磁区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とも保存容量の大きい情報保存装置を具現できる。
本発明は、磁気抵抗素子と、それを含む情報保存装置を提供することを目的とする。
また、前記情報保存装置の動作方法を提供することを目的とする。
本発明の一側面によれば、複数の磁区及びこれらの間に磁区壁を持つ磁性トラックと、前記磁区壁を移動させるための磁区壁移動手段と、前記磁性トラックに記録された情報を再生するための磁気抵抗素子と、を備え、前記磁気抵抗素子は、固定された磁化方向を持つ固定層と、前記固定層と前記磁性トラックとの間に、前記固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層と、前記固定層と自由層との間に分離層と、を備えた情報保存装置が提供される。
前記固定層は、水平磁気異方性を持ち、前記自由層は、垂直磁気異方性を持つ。
前記固定層と前記自由層とは、水平磁気異方性を持つ。
前記固定層と前記自由層とが水平磁気異方性を持つ場合、前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、互いに垂直である。または、前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、鋭角または鈍角をなす。
前記自由層が水平磁気異方性を持つ場合、前記自由層の前記磁化容易軸は、形状異方性により決定される。このとき、前記自由層の短軸（ｘ）と長軸（ｙ）との長さ比（ｘ／ｙ）は、１／１０≦ｘ／ｙ＜１を満たす。
前記自由層の前記磁化容易軸は、前記磁性トラックに垂直である。
前記自由層の前記磁化容易軸は、前記磁性トラックに平行である。
前記磁性トラックは、水平磁気異方性を持つ。
前記磁性トラックは、垂直磁気異方性を持つ。
前記磁性トラックと前記自由層との間に絶縁層が備えられる。
前記磁性トラックと前記自由層との間の距離は、１〜１０００ｎｍである。
前記磁性トラックに情報を記録するための書き込みユニットをさらに含む。
本発明の他の側面によれば、固定された磁化方向を持つ固定層と、前記固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層と、前記固定層と自由層との間に分離層と、を備え、前記固定層と自由層のうち１つは水平磁気異方性を持ち、他の１つは垂直磁気異方性を持つ磁気抵抗素子が提供される。
前記固定層は水平磁気異方性を持ち、前記自由層は垂直磁気異方性を持つ。
本発明の他の側面によれば、複数の磁区及びこれらの間に磁区壁を持つ磁性トラック、前記磁区壁を移動させるための磁区壁移動手段、及び前記磁性トラックに記録された情報を再生するための磁気抵抗素子を含む情報保存装置の情報再生方法において、前記磁性トラックの前記磁区壁を移動させるステップと、前記磁区壁の漏れ磁界による前記磁気抵抗素子の抵抗変化を測定するステップと、を含む情報保存装置の情報再生方法が提供される。
前記磁気抵抗素子は、固定された磁化方向を持つ固定層と、前記固定層と前記磁性トラックとの間に、前記固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層と、前記固定層と自由層との間に分離層と、を備え、前記磁区壁の漏れ磁界により前記自由層の磁化方向が変化される。
前記固定層と前記自由層とは、水平磁気異方性を持つ。この場合、前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、互いに垂直である。または、前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、鋭角または鈍角をなす。
前記固定層は水平磁気異方性を持ち、前記自由層は垂直磁気異方性を持つ。
本発明によれば、読み出し信号を増加させることができる磁気抵抗素子を具現できる。かかる磁気抵抗素子を、磁区壁移動を利用した情報保存装置に適用できる。
本発明の実施形態による磁気抵抗素子を含む情報保存装置を示す斜視図である。 図１の情報保存装置で、磁区壁移動による磁気抵抗素子の抵抗変化を示すグラフである。 比較例による情報保存装置で、磁区壁移動による磁気抵抗素子の抵抗変化を示すグラフである。 比較例による情報保存装置で、磁区壁移動による磁気抵抗素子の抵抗変化を示すグラフである。 図１の情報保存装置で、自由層の縦横比による磁気抵抗素子の抵抗変化率（％）を示すグラフである。 図１の情報保存装置で、自由層のＹ軸長を固定させ、Ｘ軸長を変化させつつ磁気抵抗素子の抵抗変化率（％）を測定した結果を示すグラフである。 本発明の他の実施形態に磁気抵抗素子を含む情報保存装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に磁気抵抗素子を含む情報保存装置を示す斜視図である。 本発明の他の実施形態に磁気抵抗素子を含む情報保存装置を示す斜視図である。 図９の情報保存装置で、自由層のＹ軸長を固定させ、Ｘ軸長を変化させつつ磁気抵抗素子の抵抗変化率（％）を測定した結果を示すグラフである。 本発明の実施形態による情報保存装置の動作方法を説明するための図面である。 本発明の実施形態による情報保存装置の動作方法を説明するための図面である。 本発明の他の実施形態による情報保存装置の斜視図である。 本発明の実施形態によるメモリカードを概略的に示す概念図である。 本発明の実施形態による電子システムを概略的に示す概念図である。
以下、本発明の実施形態による磁気抵抗素子、それを含む情報保存装置及び該情報保存装置の動作方法を、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たものである。詳細な説明全体にわたって、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抵抗素子を含む情報保存装置の斜視図である。
図１を参照すれば、所定方向、例えば、Ｘ軸方向に延びた磁性トラック１００が備えられうる。磁性トラック１００は、その延長方向に沿って一列に配列された複数の磁区Ｄ１、Ｄ２を備えることができる。ここでは、２つの磁区（以下、第１及び第２磁区）Ｄ１、Ｄ２を図示したが、さらに多くの磁区が備えられうる。第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２は互いに逆方向に磁化され、これらの間に磁区壁ＤＷ１が備えられうる。
磁性トラック１００は、例えば、水平磁気異方性を持つことができる。この場合、第１磁区Ｄ１はＸ軸方向に、第２磁区Ｄ２はＸ軸の逆方向に磁化されうる。第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２に図示した矢印は、その磁化方向を表す。磁区壁ＤＷ１は、渦動型磁区壁（以下、渦動壁）でありうる。前記渦動壁は、ＸＹ平面上で時計回り方向または逆時計回り方向に回転する磁化方向を持つことができる。磁区壁ＤＷ１は、横断型磁区壁（以下、横断壁）でもありうる。前記横断壁は、Ｙ軸に平行な磁化方向を持つことができる。前記渦動壁及び横断壁は、相異なる形態の水平磁化を持つといえる。場合によっては、磁区壁ＤＷ１が垂直磁化、すなわち、Ｚ軸に平行な磁化方向を持つこともある。
磁区壁ＤＷ１を移動させるための磁区壁移動手段２００が備えられうる。磁区壁移動手段２００は、磁性トラック１００の両端のうち少なくとも１つに連結されうる。さらに具体的に説明すれば、磁区壁移動手段２００は、磁性トラック１００に連結された電流源を備えることができ、前記電流源と前記磁性トラック１００との間に備えられたスイッチング素子をさらに備えることができる。磁区壁移動手段２００を利用して磁性トラック１００に所定の電流を印加して、磁性トラック１００内で磁区壁ＤＷ１を移動させることができる。前記電流の方向によって磁区壁ＤＷ１の移動方向が変わりうる。電流の方向は電子の方向と逆であるため、磁区壁ＤＷ１は電流の方向と逆方向に移動できる。磁区壁ＤＷ１の移動は、すなわち、第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２の移動を意味するものでありうる。したがって、磁区壁移動手段２００により磁区壁ＤＷ１と第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２とが移動するといえる。磁区壁移動手段２００の構成は前述したところに限定されず、多様に変形されうる。
磁性トラック１００と所定間隔離隔した磁気抵抗素子３００が備えられうる。磁気抵抗素子３００は、磁性トラック１００の下側または上側に位置できる。磁性トラック１００と磁気抵抗素子３００との間隔は、例えば、１〜１０００ｎｍほどでありうる。磁性トラック１００と磁気抵抗素子３００との間に絶縁層（図示せず）が備えられうる。磁気抵抗素子３００は円柱形態で図示したが、他の形態、例えば、四角柱形態をしてもよい。
磁気抵抗素子３００は、磁性トラック１００に記録された情報を再生するための‘読み出しユニット’でありうる。さらに具体的に説明すれば、磁気抵抗素子３００は、磁化方向が固定された固定層１０と、磁化方向が変動しうる自由層２０、及びこれら１０、２０の間に分離層１５とを備えることができる。自由層２０が固定層１０より磁性トラック１００にさらに近く配置されうる。すなわち、固定層１０と磁性トラック１００との間に自由層２０が位置できる。固定層１０と自由層２０とは、Ｃｏ、Ｎｉ及びＦｅのうち少なくとも１つを含む強磁性物質からなり、固定層１０と自由層２０とを構成する物質は同じか、または異なる。分離層１５はＭｇ酸化物層のような絶縁層であるが、導電層であってもよい。固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とは非平行である。例えば、固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とは、互いに垂直である。または、固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とが鋭角（０゜＜θ１＜９０゜）または鈍角（９０゜＜θ２＜１８０゜）をなしうる。固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とが互いに垂直である場合、図１に図示されたように、固定層１０は、Ｘ軸と平行な磁化方向を持つことができ、自由層２０は、Ｙ軸と平行な磁化容易軸を持つことができる。磁化容易軸は、よく磁化する軸方向を表すものであって、外部磁場の影響がない時、自由層２０の磁化方向は、前記磁化容易軸に平行でありうる。自由層２０の磁化方向は、磁性トラック１００の磁区壁ＤＷ１で発生する漏れ磁界により変動されうる。すなわち、磁区壁ＤＷ１が移動しつつその漏れ磁界が自由層２０に印加され、それにより、自由層２０の磁化方向が変動できる。自由層２０の磁化方向が変動すれば、それにより、磁気抵抗素子３００の電気抵抗が変わりうる。かかる磁気抵抗素子３００の抵抗変化を検出して、磁性トラック１００に記録された情報を判別できる。これについては、以下でさらに詳細に説明する。
図１に図示していないが、固定層１０下面に、固定層１０の磁化方向を固定させる役割を行う少なくとも１つの層が備えられうる。前記固定層１０の磁化方向を固定させる役割を行う少なくとも１つの層は、反強磁性層で形成された単一層であるか、または導電層、強磁性層及び反強磁性層を含む多重層でありうる。前記多重層を使用する場合、固定層１０の下面に前記導電層、前記強磁性層及び前記反強磁性層を順次備えることができ、この時、前記強磁性層は、固定層１０の磁化方向と逆の磁化方向を持つ第２の固定層でありうる。前記反強磁性層により前記強磁性層の磁化方向が固定され、固定層１０の磁化方向は、前記強磁性層の磁化方向と逆に固定されうる。かかる方法で、固定層１０の磁化方向をいずれか一方向に固定させることができる。固定層１０の磁化方向を固定させる方法は前述したところに限定されるものではない。
一方、自由層２０の磁化容易軸は、形状異方性により決定されうる。すなわち、自由層２０の磁化容易軸方向はその形状により決定されうる。図１に図示されたように、自由層２０がＹ軸と平行な磁化容易軸を持つようにするためには、自由層２０をＹ軸方向に長く形成すればよい。言い換えれば、自由層２０のＹ軸方向の長さをＸ軸方向の長さより長くすれば、自由層２０はＹ軸と平行な磁化容易軸を持つことができる。この場合、自由層２０の短軸長（ｘ）と長軸長（ｙ）との比（ｘ／ｙ）は、１／１０より大きいか、または同一であり、または１より小さい。しかし、自由層２０の磁化容易軸が必ずしも形状異方性により決定されるべきではない。自由層２０の磁化容易軸は、誘導異方性により決定されてもよい。または自由層２０の磁化容易軸は、形状異方性と誘導異方性との影響をいずれも受けることもある。したがって、自由層２０の短軸長（ｘ）と長軸長（ｙ）との比（ｘ／ｙ）は、前述したところに限定されるものではない。
図１の構造を持つ情報保存装置では、固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とが非平行（例えば、垂直）なため、自由層２０の磁化方向変化による磁気抵抗素子３００の抵抗変化量が大きくなりうる。これは、すなわち、読み出し信号の増加を意味する。これについては、図２を参照してさらに詳細に説明する。
図２は、図１の情報保存装置で、磁区壁ＤＷ１の移動による磁気抵抗素子３００の抵抗変化を示すグラフである。図２は、図１と連係して説明する。
さらに具体的に説明すれば、図２は、図１の磁区壁ＤＷ１を磁気抵抗素子３００の左側から右側に移動させつつ磁気抵抗素子３００の抵抗変化を測定した結果である。これは、磁気抵抗素子３００を第２磁区Ｄ２から第１磁区Ｄ１側に移動させつつ、その抵抗変化を測定した結果と実質的に同一であるといえる（しかし、実際に磁気抵抗素子３００は固定されており、磁性トラック１００内で磁区壁ＤＷ１及び磁区Ｄ１、Ｄ２が移動する。）。この時、自由層２０のＸ軸長及びＹ軸長は、それぞれ２００ｎｍ及び４００ｎｍほどであった。磁性トラック１００と自由層２０との間の距離は、約５００ｎｍであり、磁区壁ＤＷ１は渦動壁であった。
図２を参照すれば、経時的に、すなわち、磁区壁ＤＷ１が磁気抵抗素子３００に近づいてから遠ざかることによって、磁気抵抗素子３００の抵抗がかなり大きい幅で変化することが分かる。磁気抵抗素子３００の抵抗は、第１中間値で第１地点（最大値）Ｐ１まで増加してから、第２地点（最小値）Ｐ２まで減少した後、前記第１中間値より多少低いレベルの第２中間値に戻る。第１地点（最大値）Ｐ１と第２地点（最小値）Ｐ２との中間地点が、磁区壁ＤＷ１と磁気抵抗素子３００とが最も近接な地点である。第１地点（最大値）Ｐ１で自由層２０の磁化方向は、Ｙ軸方向から逆時計回り方向にある程度回転した状態でありうる。この時、固定層１０の磁化方向は、Ｘ軸方向に固定されている。円内に図示した実線矢印は固定層１０の磁化方向を、点線矢印は自由層２０の磁化方向を表す。したがって、固定層１０と自由層２０との磁化方向は、ある程度反平行状態をなしうる。これを、セミ反平行状態であるといえる。一方、第２地点（最小値）Ｐ２で自由層２０の磁化方向は、Ｙ軸方向から時計回り方向にある程度回転した状態でありうる。したがって、固定層１０と自由層２０との磁化方向は、ある程度平行状態をなしうる。これを、セミ平行状態であるといえる。このように、固定層１０と自由層２０との磁化方向がセミ反平行状態とセミ平行状態とを行き交うため、磁気抵抗素子３００の抵抗変動量は大きい。固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とが垂直でなく、鋭角または鈍角をなす場合であっても、自由層２０の磁化方向変化により固定層１０と自由層２０との磁化方向が、反平行状態（または、セミ反平行状態）とセミ平行状態（または、平行状態）とを行き交うことができる。したがって、この場合にも、磁気抵抗素子３００の抵抗変動量は大きい。しかし、もし、固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸とが平行であれば、自由層２０の磁化方向は、固定層１０の磁化方向とセミ平行状態（または、セミ反平行状態）を維持しつつ変化されるため、磁気抵抗素子３００の抵抗変動量は少ない。これは、図３及び図４で確認することができる。
図３及び図４は、比較例による情報保存装置で、磁区壁移動による磁気抵抗素子の抵抗変化を示すグラフである。
図３は、図１の構造を持つが、固定層の磁化方向と自由層の磁化容易軸とがいずれもＹ軸方向である情報保存装置に対する結果である。この時、自由層のＸ軸長及びＹ軸長は、それぞれ２００ｎｍ及び４００ｎｍほどであった。磁性トラックと自由層間の距離は約５００ｎｍであり、磁区壁は渦動壁であった。すなわち、図３の結果を得るのに使用した情報保存装置は、固定層の磁化方向がＹ軸方向であるいうことを除外すれば、図２の結果を得るのに使用した情報保存装置と同一であった。
一方、図４は、図１の構造を持つが、固定層の磁化方向と自由層の磁化容易軸とがいずれもＸ軸方向である情報保存装置に対する結果である。この時、自由層のＸ軸長及びＹ軸長は、それぞれ４００ｎｍ及び２００ｎｍほどであった。磁性トラックと自由層間の距離は約５００ｎｍであり、磁区壁は渦動壁であった。
図３を参照すれば、磁区壁移動による磁気抵抗素子の抵抗変化が非常に少ないということが分かる。さらに具体的に説明すれば、図２の第１地点Ｐ１に対応する図３のＰ１’地点では、固定層と自由層との磁化方向が第１セミ平行状態をなし、図２の第２地点Ｐ２に対応する図３のＰ２’地点では、固定層と自由層との磁化方向が第２セミ平行状態をなす。このようにＰ１’及びＰ２’地点がいずれもセミ平行状態であるため、２つの地点Ｐ１’、Ｐ２’で磁気抵抗素子の抵抗は類似している。
一方、図４の場合、磁区壁移動による磁気抵抗素子の抵抗変化がほとんどないということが分かる。
図２ないし図４の結果から、固定層の磁化方向と自由層の磁化容易軸とが非平行な場合（図２）、固定層の磁化方向と自由層の磁化容易軸とが互いに平行な場合（図３及び図４）より、磁気抵抗素子の抵抗がだいぶ大きい幅で変化するといことが分かる。磁気抵抗素子の抵抗変化が大きいというのは、読み出し信号が大きいということを意味する。
図５は、図１の情報保存装置で、自由層２０の縦横比による磁気抵抗素子３００の抵抗変化率（％）を示す。自由層２０のＸ軸長とＹ軸長との比（ｘ：ｙ）、すなわち、縦横比が１：２及び３：４である場合に対して、Ｘ軸長を増大させつつ、磁気抵抗素子３００の抵抗変化率（％）を測定した。抵抗変化率（％）は、［（Ｒ１−Ｒ２）／Ｒ２］×１００である。ここで、Ｒ１は、最大抵抗（図２の第１地点Ｐ１に対応する抵抗値）を表し、Ｒ２は、最小抵抗（図２の第２地点Ｐ２に対応する抵抗値）を表す。図５は、自由層２０の磁化容易軸が形状異方性により決定される場合に対する結果である。
図５を参照すれば、自由層２０のＸ軸長とＹ軸長との比が３：４である場合、１：２である場合より抵抗変化率（％）が大きいということが分かる。これは、自由層２０のＸ軸長とＹ軸長との比（ｘ：ｙ）が１：１に近いほど、抵抗変化率（％）が大きくなりうるということを示す。そして、２つの場合とも、自由層２０のＸ軸長が増大するほど抵抗変化率（％）が増加した。
図６は、図１の情報保存装置で、自由層２０のＹ軸長を固定させ、Ｘ軸長を変化させつつ、磁気抵抗素子３００の抵抗変化率（％）を測定した結果である。自由層２０のＹ軸長を４００ｎｍ及び６００ｎｍに固定した状態で、Ｘ軸長を１００ｎｍから５０ｎｍ単位で増大させつつ、磁気抵抗素子３００の抵抗変化率（％）を測定した。
図６を参照すれば、自由層２０のＹ軸長が４００ｎｍである場合、Ｘ軸長が約３５０ｎｍまで増大することによって、抵抗変化率（％）が増加することが分かる。Ｘ軸長が約３５０ｎｍまで増大しても、形状異方性により自由層２０の磁化容易軸がＹ軸方向に維持され、この時、Ｘ軸長が増大するほど抵抗変化率（％）が増加する。一方、自由層２０のＹ軸長が６００ｎｍである場合、Ｘ軸長が約４５０ｎｍまで増大することによって抵抗変化率（％）が増加していて、Ｘ軸長が約５００ｎｍ以上に増大すれば、抵抗変化率（％）が低減した。自由層２０のＹ軸長が６００ｎｍである場合、Ｘ軸長の約５００ｎｍまでは、形状異方性により自由層２０の磁化容易軸がＹ軸方向に維持されうる。このように、自由層２０の磁化容易軸がＹ軸方向に維持される条件下で、Ｘ軸長が増大するほど抵抗変化率（％）が増加できる。しかし、Ｘ軸長が約５００ｎｍ以上に大きくなれば、自由層２０の磁化容易軸がＹ軸方向に維持され難いため、抵抗変化率（％）が低減しうる。かかる結果は、自由層２０の磁化容易軸が形状異方性により決定される場合についてのものである。もし、自由層２０の磁化容易軸が誘導異方性の影響を受けるならば、前記の結果は変わりうる。例えば、自由層２０のＸ軸長がＹ軸長より大きくなっても、抵抗変化率（％）は低減せずに高く維持されうる。
図１に図示した構造では、固定層１０は磁性トラック１００と平行な磁化方向を持ち、自由層２０は、磁性トラック１００に垂直な磁化容易軸を持つが、本発明の他の実施形態によれば、固定層１０の磁化方向と自由層２０の磁化容易軸の容易軸の方向とは互いに変わりうる。その例が図７に図示されている。
図７を参照すれば、磁気抵抗素子３００’は、分離層１５’を介して備えられた固定層１０’及び自由層２０’を備えることができる。固定層１０’はＹ軸に平行な磁化方向を持つことができ、自由層２０’はＸ軸に平行な磁化容易軸を持つことができる。すなわち、固定層１０’の磁化方向は、磁性トラック１００の延長方向に垂直であり、自由層２０’の磁化容易軸は、磁性トラック１００の延長方向に平行でありうる。もし、自由層２０’の磁化容易軸が形状異方性により決定されるならば、自由層２０’のＸ軸長はＹ軸長より長い。図７の場合にも、固定層１０’の磁化方向と自由層２０’の磁化容易軸とは非平行（例えば、垂直）なため、自由層２０’の磁化方向変動による磁気抵抗素子３００’の抵抗変化量は大きい。他の実施形態によれば、固定層１０’の磁化方向と自由層２０’の磁化容易軸とは垂直でなく、鋭角または鈍角をなしうる。
図１及び図７では、固定層１０、１０’と自由層２０、２０’とがいずれも水平磁気異方性を持つ場合について図示して説明したが、他の実施形態によれば、固定層１０、１０’と自由層２０、２０’のうち１つは水平磁気異方性を持ち、他の１つは垂直磁気異方性を持つことができる。その一例が図８に図示されている。
図８を参照すれば、磁気抵抗素子３００”は、分離層１５”を介して備えられた固定層１０”及び自由層２０”を備えることができる。固定層１０”は水平磁気異方性を持つことができ、自由層２０”は垂直磁気異方性を持つことができる。固定層１０”は、図１の固定層１０と類似してＸ軸と平行な磁化方向を持つことができる。自由層２０”は、Ｚ軸と平行な磁化容易軸を持つことができる。したがって、固定層１０”の磁化方向と自由層２０”の磁化容易軸とは互いに垂直である。このように、自由層２０”がＺ軸と平行な磁化容易軸を持つ場合、自由層２０”の磁化容易軸は結晶異方性により定められうる。
以上で説明した情報保存装置では、磁性トラック１００が水平磁気異方性を持つ場合についてのみ図示して説明したが、垂直磁気異方性を持つ磁性トラックを使用してもよい。その一例が図９に図示されている。図９は、図１で変形された構造である。
図９を参照すれば、磁性トラック１００’は垂直磁気異方性を持つことができる。この場合、第１及び第２磁区Ｄ１’、Ｄ２’は、それぞれＺ軸及びＺ軸の逆方向に磁化しうる。磁区壁ＤＷ１’は、ブロッホ（ｂｌｏｃｈ）壁またはネール（ｎｅｅｌ）壁でありうる。前記ブロッホ壁の場合、Ｙ軸と平行方向に磁化方向を持つといえ、前記ネール壁の場合、Ｘ軸と平行方向に磁化方向を持つといえる。図９で、磁性トラック１００’を除外した残りの構成は、図１のそれと同一でありうる。図１の構造が図９のように変形されたことと類似して、図７及び図８の構造でも、垂直磁気異方性を持つ磁性トラック１００’が使われうる。
図１０は、図９の情報保存装置で、自由層２０のＹ軸長を固定させ、Ｘ軸長を変化させつつ磁気抵抗素子３００の抵抗変化率（％）を測定した結果である。自由層２０のＹ軸長を２００ｎｍ、３００ｎｍ及び４００ｎｍに固定した状態で、Ｘ軸長を１００ｎｍから５０ｎｍ単位に増大させつつ磁気抵抗素子３００の抵抗変化率（％）を測定した。図１０の結果は、自由層２０の磁化容易軸が形状異方性により決定される場合に対するものである。
図１０を参照すれば、自由層２０のＹ軸長が２００ｎｍである場合、Ｘ軸長が約２００ｎｍまで増大することによって抵抗変化率（％）が増加していて、Ｘ軸長が２００ｎｍを超過すれば、抵抗変化率（％）が低減した。自由層２０のＹ軸長が３００ｎｍである場合、Ｘ軸長が約３００ｎｍまで増大することによって抵抗変化率（％）が増加していて、Ｘ軸長が３００ｎｍを超過すれば、抵抗変化率（％）が低減した。自由層２０のＹ軸長が４００ｎｍである場合、Ｘ軸長が約３００ｎｍまで増大することによって抵抗変化率（％）が増加していて、Ｘ軸長が約３００ｎｍ以上に増加すれば、抵抗変化率（％）が多少減少した。このような結果は図６のそれと類似している。したがって、垂直磁気異方性を持つ磁性トラック１００’を使用しても、形状異方性により自由層２０の磁化容易軸がＹ軸方向に維持されうる条件下で、Ｘ軸長を大きくするほど抵抗変化率（％）は大きくなるということが分かる。この結果は、自由層２０の磁化容易軸が形状異方性により決定される場合に対するものである。もし、自由層２０の磁化容易軸が誘導異方性の影響を受ける場合ならば、前記の結果は変わりうる。
以下では、本発明の実施形態による情報保存装置の情報再生方法を例示的に簡略に説明する。本再生方法では、磁区壁で発生する漏れ磁界による磁気抵抗素子の抵抗変化を利用する。
図１１Ａ及び図１１Ｂは、図１の情報保存装置を利用した情報再生方法を説明するための図面である。
図１１Ａは、磁区壁ＤＷ１の左側及び右側に第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２が位置する磁性トラック１００ａについての情報の再生方法を示す。Ｘ軸方向に磁化された第１磁区Ｄ１はデータ“０”に対応でき、Ｘ軸の逆方向に磁化された第２磁区Ｄ２はデータ“１”に対応できる。
磁区壁ＤＷ１と第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２とを右に移動させつつ、磁区壁ＤＷ１で発生する漏れ磁界による磁気抵抗素子３００の抵抗変化を測定した。これは、すなわち、磁気抵抗素子３００を、第２磁区Ｄ２（データ“１”）から磁区壁ＤＷ１を経て第１磁区Ｄ１（データ“０”）に移動させつつ、その抵抗変化を測定したことと同一であるといえる。したがって、本再生方法は、データ“１０”に対する再生方法であるといえる。この場合、磁気抵抗素子３００の抵抗は、最大値と最小値とを順次通過しつつ変化する。すなわち、磁気抵抗素子３００の抵抗は増加してから減少しうる。これは、図２の結果と類似している。
図１１Ｂは、磁区壁ＤＷ１の左側及び右側に第２及び第１磁区Ｄ２、Ｄ１が位置する磁性トラック１００ｂについての情報の再生方法を示す。第２磁区Ｄ２はデータ“１”に対応でき、第１磁区Ｄ１はデータ“０”に対応できる。
磁区壁ＤＷ１と第１及び第２磁区Ｄ１、Ｄ２とを右側に移動させつつ、磁区壁ＤＷ１で発生する漏れ磁界による磁気抵抗素子３００の抵抗変化を測定した。これは、磁気抵抗素子３００を、第１磁区Ｄ１（データ“０”）から磁区壁ＤＷ１を経て第２磁区Ｄ２（データ“１”）に移動させつつ、その抵抗変化を測定したことと同一であるといえる。したがって、本再生方法は、データ“０１”に対する再生方法であるといえる。この場合、磁気抵抗素子３００の抵抗は、最小値と最大値とを順次通過しつつ変化する。すなわち、磁気抵抗素子３００の抵抗は減少してから増加しうる。これは図１１Ａの結果と逆である。
すなわち、図１１Ａのデータ“１０”を再生する場合、磁気抵抗素子３００の抵抗変化様相と、図１１Ｂのデータ“０１”を再生する場合、磁気抵抗素子３００の抵抗変化様相とは互いに逆である。したがって、磁気抵抗素子３００の抵抗がどのように変化するかを通じて、データが“１”から“０”に変わったか、または“０”から“１”に変わったかが分かる。図１１Ａのように抵抗が変わる場合、データ“１０”を読み出したと見なし、図１１Ｂのように抵抗が変わる場合、データ“０１”を読み出したと見なしうる。
もし、“０”または“１”が反復される場合ならば、反復される時間ほど磁気抵抗素子３００の抵抗は変化しない。したがって、磁気抵抗素子３００の抵抗が変化しないならば、その時間ほどデータ“０”または“１”が反復されたと見なすことができる。例えば、図１１Ａのように抵抗が変化した後、所定時間抵抗が変化しなければ、その時間ほどデータ“０”が反復されたと見なすことができる。これと類似して、図１１Ｂのように抵抗が変化した後、所定時間抵抗が変化しなければ、その時間ほどデータ“１”が反復されたと見なすことができる。このような方法で、磁性トラックに記録されたデータを再生できる。
図１１Ａ及び図１１Ｂの情報再生方法で、磁性トラック１００ａ、１００ｂ及び磁気抵抗素子３００の構成は多様に変形できる。
以上では、便宜のために磁性トラックが２つの磁区及び１つの磁区壁を持つ場合について図示したが、磁性トラックは、３つ以上の磁区及び２つ以上の磁区壁を持つことができる。また、情報保存装置は、磁性トラックに情報を記録するための‘書き込みユニット’をさらに備えることができる。例えば、本発明の実施形態による情報保存装置は、図１２のよう構造を持つことができる。
図１２を参照すれば、所定方向、例えば、Ｘ軸方向に延びた磁性トラック１０００が備えられうる。磁性トラック１０００は、その延長方向に沿って一列に連続配列された複数の磁区Ｄを持つことができる。隣接する２つの磁区Ｄの間に磁区壁ＤＷが備えられうる。磁性トラック１０００は、水平磁気異方性または垂直磁気異方性を持つことができる。磁性トラック１０００は、各磁区Ｄに情報を保存する情報保存要素として使われうる。磁性トラック１０００の形態は図示されたところに限定されず、多様に変形されうる。磁性トラック１０００に連結された磁区壁移動手段２０００が備えられうる。磁区壁移動手段２０００は図１の磁区壁移動手段２００と同一であるので、これについての説明は反復しない。
磁性トラック１０００の所定領域上に、読み出しユニット３０００及び書き込みユニット４０００が備えられうる。読み出しユニット３０００と書き込みユニット４０００とは、図示されたように磁性トラック１０００の上側に備えられうるが、下側に備えられてもよい。場合によっては、読み出しユニット３０００と書き込みユニット４０００のうち１つは磁性トラック１０００の下側に、他の１つは上側に備えられてもよい。図示していないが、読み出しユニット３０００と磁性トラック１０００との間に絶縁層が備えられうる。書き込みユニット４０００と磁性トラック１０００との間には絶縁層が備えられるか、または磁性トラック１０００より比抵抗が高い導電層が備えられうる。
読み出しユニット３０００は、図１及び図７ないし図９の磁気抵抗素子３００、３００’、３００”のうちいずれか１つの構造を持つことができる。書き込みユニット４０００は、スピン転移トルクを利用した記録装置でありうる。この場合、書き込みユニット４０００は、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）またはＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）構造を持つことができる。または、書き込みユニット４０００は、外部磁場を利用して書き込みを行う装置でもありうる。この場合、書き込みユニット４０００は、磁性トラック１０００から所定間隔離隔しうる。書き込みユニット４０００の記録メカニズム、構造及び形成位置などは前述したもの及び図示されたものに限定されず、多様に変更できる。例えば、書き込みユニット４０００は、磁性トラック１０００の上面や下面に備えられず、磁性トラック１０００の側面に備えてもよい。
磁区壁移動手段２０００を利用して、磁性トラック１０００に電流を印加して磁区Ｄ及び磁区壁ＤＷを移動させつつ、読み出しユニット３０００または書き込みユニット４０００を利用して情報を再生または記録できる。
図１３は、本発明の実施形態によるメモリカード５００を概略的に示す概念図である。
図１３を参照すれば、コントローラ５１０とメモリ５２０とは電子信号を交換できる。例えば、コントローラ５１０の指令（ｃｏｍｍａｎｄ）によって、メモリ５２０とコントローラ５１０とはデータを交換できる。したがって、メモリカード５００はメモリ５２０に／からデータを保存／出力できる。メモリ５２０は、図１、７、８、９及び１２を参照して説明した不揮発性メモリ素子のうちいずれか１つを含むことができる。
かかるメモリカード５００は、多様な移動式（携帯用）電子装置に記録媒体として使われうる。例えば、メモリカード５００は、ＭＭＣ（Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ Ｃａｒｄ）またはＳＤ（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ）カードでありうる。
図１４は、本発明の実施形態による電子システム６００を概略的に示す概念図である。
図１４を参照すれば、プロセッサー６１０、入出力装置６３０、メモリ６２０は、バス６４０を使用して互いにデータ通信を行える。プロセッサー６１０は、電子システム６００をプログラムして制御する機能を行える。入出力装置６３０は、電子システム６００に／からデータを入力／出力するのに使われうる。電子システム６００は、入出力装置６３０を使用して外部装置（図示せず）、例えば、パソコンやネットワークに連結され、前記外部装置とデータを交換できる。
メモリ６２０は、プロセッサー６１０の動作のためのコードやプログラムを保存することができる。メモリ６２０は、例えば、図１、７、８、９、１２を参照して説明した不揮発性メモリ素子のうちいずれか１つを含むことができる。
かかる電子システム６００は、メモリ６２０を必要とする多様な電子制御システム、例えば、携帯電話、ＭＰ３プレーヤー、ナビゲーション装置、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｉｓｋ）または家庭用機器などを具現するのに使われうる。
前記説明で多くの事項が具体的に記載されているが、これらは発明の範囲を限定するものというより、望ましい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、本発明の実施形態による磁気抵抗素子は、図１、図７ないし図９及び図１２のような磁区壁移動を利用した情報保存装置（メモリ）だけでなく、その他の分野に適用できるということが分かる。また図１、図７ないし図９及び図１２の構造は例示的なものに過ぎず、多様に変形できるということが分かる。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。
１０，１０’，１０” 固定層
１５，１５’，１５” 分離層
２０，２０’，２０” 自由層
１００ 磁性トラック
２００ 磁区壁移動手段
３００，３００’，３００” 磁気抵抗素子
５００ メモリカード
５１０ コントローラ
５２０ メモリ
６００ 電子システム
６１０ プロセッサー
６２０ メモリ
６３０ 入出力装置
６４０ バス
１０００ 磁性トラック
２０００ 磁区壁移動手段
３０００ 読み出しユニット
４０００ 書き込みユニット

Claims (22)

  1. 複数の磁区及びこれらの間に磁区壁を持つ磁性トラックと、
    前記磁区壁を移動させるための磁区壁移動手段と、
    前記磁性トラックに記録された情報を再生するための磁気抵抗素子と、を備え、
    前記磁気抵抗素子は、
    固定された磁化方向を持つ固定層と、
    前記固定層と前記磁性トラックとの間に、前記固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層と、
    前記固定層と自由層との間に分離層と、を備えた情報保存装置。
  2. 前記固定層は、水平磁気異方性を持ち、
    前記自由層は、垂直磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  3. 前記固定層と前記自由層とは、水平磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  4. 前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、互いに垂直であることを特徴とする請求項３に記載の情報保存装置。
  5. 前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、鋭角または鈍角をなすことを特徴とする請求項３に記載の情報保存装置。
  6. 前記自由層の前記磁化容易軸は、形状異方性により決定されることを特徴とする請求項３に記載の情報保存装置。
  7. 前記自由層の短軸（ｘ）と長軸（ｙ）との長さ比（ｘ／ｙ）は、１／１０≦ｘ／ｙ＜１を満たすことを特徴とする請求項６に記載の情報保存装置。
  8. 前記自由層の前記磁化容易軸は、前記磁性トラックに垂直であることを特徴とする請求項３に記載の情報保存装置。
  9. 前記自由層の前記磁化容易軸は、前記磁性トラックに平行であることを特徴とする請求項３に記載の情報保存装置。
  10. 前記磁性トラックは、水平磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  11. 前記磁性トラックは、垂直磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  12. 前記磁性トラックと前記自由層との間に絶縁層が備えられたことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  13. 前記磁性トラックと前記自由層との間の距離は、１〜１０００ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  14. 前記磁性トラックに情報を記録するための書き込みユニットをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の情報保存装置。
  15. 固定された磁化方向を持つ固定層と、
    前記固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層と、
    前記固定層と自由層との間に分離層と、を備え、
    前記固定層と自由層のうち１つは水平磁気異方性を持ち、他の１つは垂直磁気異方性を持つ磁気抵抗素子。
  16. 前記固定層は水平磁気異方性を持ち、
    前記自由層は垂直磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１５に記載の磁気抵抗素子。
  17. 複数の磁区及びこれらの間に磁区壁を持つ磁性トラック、前記磁区壁を移動させるための磁区壁移動手段、及び前記磁性トラックに記録された情報を再生するための磁気抵抗素子を含む情報保存装置の情報再生方法において、
    前記磁性トラックの前記磁区壁を移動させるステップと、
    前記磁区壁の漏れ磁界による前記磁気抵抗素子の抵抗変化を測定するステップと、を含む情報保存装置の情報再生方法。
  18. 前記磁気抵抗素子は、
    固定された磁化方向を持つ固定層と、
    前記固定層と前記磁性トラックとの間に、前記固定層の磁化方向と非平行な磁化容易軸を持つ自由層と、
    前記固定層と自由層との間に分離層と、を備え、
    前記磁区壁の漏れ磁界により前記自由層の磁化方向が変化されることを特徴とする請求項１７に記載の情報保存装置の情報再生方法。
  19. 前記固定層と前記自由層とは、水平磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１８に記載の情報保存装置の情報再生方法。
  20. 前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、互いに垂直であることを特徴とする請求項１９に記載の情報保存装置の情報再生方法。
  21. 前記固定層の磁化方向と前記自由層の磁化容易軸とは、鋭角または鈍角をなすことを特徴とする請求項１９に記載の情報保存装置の情報再生方法。
  22. 前記固定層は水平磁気異方性を持ち、
    前記自由層は垂直磁気異方性を持つことを特徴とする請求項１８に記載の情報保存装置の情報再生方法。
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