JP2019121741A

JP2019121741A - 磁壁移動型磁気記録素子

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Publication number: JP2019121741A
Application number: JP2018002186A
Authority: JP
Inventors: 邦恭伊藤; Kuniyasu Ito; 竜雄柴田; Tatsuo Shibata
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-07-22
Anticipated expiration: 2038-01-10
Also published as: JP6965760B2

Abstract

【課題】磁壁の移動を所定の範囲内で安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子を提供することを目的とする。【解決手段】この磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性体を含む第１強磁性層と、前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備える記録部と、前記磁気記録層の前記第１強磁性層と反対側に位置し、前記磁気記録層の磁壁の動きを制御するための複数の磁気トラップ部を有する磁気トラップ層と、前記磁気トラップ層と前記磁気記録層との間に挟まれ、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の面を平坦化する平坦化層と、を備える制御部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、磁壁移動型磁気記録素子に関する。

微細化に限界が見えてきたフラッシュメモリ等に代わる次世代の不揮発性メモリとして、抵抗変化型素子を利用してデータを記憶する抵抗変化型の磁気記録装置に注目が集まっている。磁気記録装置の一例としては、ＭＲＡＭ（ＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（ＲｅｓｉｓｔａｎｃｅＲａｎｄｏｍｅＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（ＰｈａｓｅＣｈａｎｇｅＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）等がある。

メモリの高密度化（大容量化）の方法としては、メモリを構成する素子自体を小さくする方法のほかに、メモリを構成する素子一つあたりの記録ビットを多値化する方法がある。

特許文献１には、磁気記録層内における磁壁を移動させることで、多値のデータを記録することができる磁壁移動型磁気記録素子が記載されている。特許文献１には、磁気記録層内にトラップサイトを設けることで、多値のデータ記録が安定化することが記載されている。

特許第５４４１００５号公報

特許文献１に記載の磁壁移動型磁気記録素子は、磁気記録層の側面に凹凸が設けられている。凹凸は磁壁のトラップサイトとして機能し、磁壁の位置を制御する。しかしながら、磁気記録層に物理的な凹凸を設けると凹部に電流集中が生じる場合がある。電流集中は発熱の原因となり、素子の動作を不安定にし、データの信頼性を低下させる。また特許文献１には、磁気記録層の強磁性体の積層面にトラップサイトを設けることも記載されているが、強磁性体の磁化安定性を低下させ、ノイズの原因となる。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、磁壁の移動を所定の範囲内で安定的に制御できる磁壁移動型磁気記録素子を提供することを目的とする。

（１）第１の態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、強磁性体を含む第１強磁性層と、前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備える記録部と、前記磁気記録層の前記第１強磁性層と反対側に位置し、前記磁気記録層の磁壁の動きを制御するための複数の磁気トラップ部を有する磁気トラップ層と、前記磁気トラップ層と前記磁気記録層との間に挟まれ、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の面を平坦化する平坦化層と、を備える制御部と、を備える。

（２）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の表面が凹凸形状であってもよい。

（３）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁気トラップ層は、磁気トラップ部と前記磁気トラップ部より磁壁の動きを制御する力の弱い非磁気トラップ部とを、前記第１の方向に交互に有してもよい。

（４）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記複数の磁気トラップ部が前記第１の方向に周期的に存在してもよい。

（５）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記複数の磁気トラップ部は、磁壁の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する第１磁気トラップ部を有してもよい。

（６）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１磁気トラップ部は、前記第１強磁性層より前記第１の方向に平面視内側に位置してもよい。

（７）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より前記第１の方向に長くてもよい。

（８）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より積層方向の厚みが厚くてもよい。

（９）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１磁気トラップ部を構成する材料は、前記他の磁気トラップ部を構成する材料と異なってもよい。

（１０）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気トラップ層が硬磁性体を有し、前記硬磁性体が磁気トラップ部をなしてもよい。

（１１）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気トラップ層が軟磁性体を有し、前記硬磁性体が非磁気トラップ部をなしてもよい。

（１２）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記記録部が複数あり、前記制御部を構成する磁気トラップ層の磁気トラップ部が、複数の前記磁気記録層を横断していてもよい。

（１３）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第２強磁性層を備えてもよい。

上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子によれば、安定的に磁壁の移動範囲を制御できる。

第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子を模式的に示した断面図である。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁気トラップ層をｚ方向から平面視した図である。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の磁気トラップ層をｚ方向から平面視した図である。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の平面模式図である。第５実施形態にかかる磁気アレイの模式図である。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（磁壁移動型磁気記録素子）
「第１実施形態」
図１は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００を模式的に示した断面図である。磁壁移動型磁気記録素子１００は、記録部６０と制御部９０とを備える。記録部６０は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０と非磁性層３０とを備える。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００は、平面視で第１強磁性層１０を挟む位置に、第１電極４１と第２電極４２とを備える。制御部９０は、磁気トラップ層７０と平坦化層８０とを備える。

以下、磁気記録層２０が延在する第１の方向をｘ方向、磁気記録層２０が延在する面内でｘ方向と直交する第２の方向をｙ方向、ｘ方向及びｙ方向と直交する方向をｚ方向とする。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の積層方向は、ｚ方向と一致している。

「記録部」
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１０は、強磁性体を含む。第１強磁性層１０を構成する強磁性材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉからなる群から選択される金属、これらの金属を１種以上含む合金、これらの金属とＢ、Ｃ、及びＮの少なくとも１種以上の元素とが含まれる合金等を用いることができる。具体的には、Ｃｏ−Ｆｅ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ、Ｎｉ−Ｆｅ、ＣｏＨｏ_２、ＳｍＦｅ_１２等が挙げられる。

第１強磁性層１０を構成する材料は、ホイスラー合金でもよい。ホイスラー合金はハーフメタルであり、高いスピン分極率を有する。ホイスラー合金は、Ｘ_２ＹＺの化学組成をもつ金属間化合物であり、Ｘは周期表上でＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉ、あるいはＣｕ族の遷移金属元素または貴金属元素であり、ＹはＭｎ、Ｖ、ＣｒあるいはＴｉ族の遷移金属又はＸの元素種であり、ＺはＩＩＩ族からＶ族の典型元素である。ホイスラー合金として例えば、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧａ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２Ｍｎ_１−ａＦｅ_ａＡｌ_ｂＳｉ_１−ｂ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ_１−ｃＧａ_ｃ等が挙げられる。

第１強磁性層１０は、ｘｙ面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜でも、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜でもよい。図１では、第１強磁性層１０が面内磁化膜であるとした。

第１強磁性層１０の膜厚は、第１強磁性層１０の磁化容易軸をｚ方向とする（垂直磁化膜にする）場合は、２．５ｎｍ以下とすることが好ましく、２．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。また十分な磁化量を確保するために、第１強磁性層１０の膜厚は、１．０ｎｍ以上であることが好ましい。第１強磁性層１０の膜厚を薄くすると、第１強磁性層１０と他の層（非磁性層３０）との界面で、第１強磁性層１０に垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を付加できる。

＜磁気記録層＞
磁気記録層２０は、ｘ方向に延在している。磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有する。磁壁２１は、互いに反対方向の磁化を有する第１の磁区２２と第２の磁区２３との境界である。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１の磁区２２が＋ｘ方向に配向した磁化を有し、第２の磁区２３が−ｘ方向に配向した磁化を有する。

磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁気記録層２０の磁壁２１の位置によって、データを多値で記録する。磁気記録層２０に記録されたデータは、第１強磁性層１０及び磁気記録層２０の積層方向の抵抗値変化として読み出される。磁壁２１が移動すると、磁気記録層２０における第１の磁区２２と第２の磁区２３との比率が変化する。第１強磁性層１０の磁化は、第１の磁区２２の磁化と同方向（平行）であり、第２の磁区２３の磁化と反対方向（反平行）である。磁壁２１がｘ方向に移動し、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分における第１の磁区２２の面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は低くなる。反対に、磁壁２１が−ｘ方向に移動し、ｚ方向から見て第１強磁性層１０と重畳する部分における第２の磁区２３の面積が広くなると、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値は高くなる。磁壁移動型磁気抵抗効果素子１００の抵抗値は、第１強磁性層１０に電気的に接続された上部電極と、第１電極４１又は第２電極４２との間で測定される。

磁壁２１は、磁気記録層２０の延在方向に電流を流す、又は、外部磁場を印加することによって移動する。例えば、第１電極４１から第２電極４２に電流パルスを印加すると、第１の磁区２２は第２の磁区２３の方向へ広がり、磁壁２１が第２の磁区２３の方向へ移動する。つまり、第１電極４１及び第２電極４２に流す電流の方向、強度を設定することで、磁壁２１の位置が制御され、磁壁移動型磁気記録素子１００にデータが書き込まれる。

磁気記録層２０は、磁性体により構成される。磁気記録層２０を構成する磁性体は、第１強磁性層１０と同様のものを用いることができる。また磁気記録層２０は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｍｎ、Ｇｅ、Ｇａからなる群から選択される少なくとも一つの元素を有することが好ましい。例えば、ＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜、ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料が挙げられる。ＭｎＧａ系材料、ＧｄＣｏ系材料、ＴｂＣｏ系材料等のフェリ磁性体は飽和磁化が小さく、磁壁を移動するために必要な閾値電流を下げることができる。またＣｏとＮｉの積層膜、ＣｏとＰｔの積層膜、ＣｏとＰｄの積層膜は、保磁力が大きく、磁壁の移動速度を抑えることができる。

＜非磁性層＞
非磁性層３０には、公知の材料を用いることができる。
例えば、非磁性層３０が絶縁体からなる場合（トンネルバリア層である場合）、その材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４等を用いることができる。また、これらの他にも、Ａｌ、Ｓｉ、Ｍｇの一部が、Ｚｎ、Ｂｅ等に置換された材料等も用いることができる。これらの中でも、ＭｇＯやＭｇＡｌ_２Ｏ_４はコヒーレントトンネルが実現できる材料であるため、スピンを効率よく注入できる。非磁性層３０が金属からなる場合、その材料としては、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ等を用いることができる。さらに、非磁性層３０が半導体からなる場合、その材料としては、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｕＩｎＳｅ_２、ＣｕＧａＳｅ_２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ_２等を用いることができる。

＜第１電極、第２電極＞
第１電極４１と第２電極４２とは、ｚ方向から見て第１強磁性層１０をｘ方向に挟む位置に配設されている。図１において第１電極４１は磁化がｘ方向に配向した強磁性体であり、第２電極４２は磁化が−ｘ方向に配向した強磁性体である。第１電極４１又は第２電極４２を通過する際に、電流はスピン偏極する。スピン偏極した電流が磁気記録層２０に注入されることで、磁気記録層２０の第１の磁区２２と第２の磁区２３との比率が変化する。

第１電極４１及び第２電極４２は、スピン軌道トルク配線に置き換えてもよい。例えば、ｙ方向に延在するスピン軌道トルク配線を第１電極４１及び第２電極４２の位置に配設する。スピン軌道トルク配線に電流を流すと、スピン軌道トルク配線内でスピンホール効果が生じる。スピンホール効果により分極したスピンが、磁気記録層２０に流れ込むことで、磁気記録層２０の第１の磁区２２と第２の磁区２３との比率が変化する。第１電極４１と第２電極４２とは、両方をスピン軌道トルク配線に置き換えてもよいし、いずれか一方のみを置き換えてもよい。両方を同材料のスピン軌道トルク配線に置き換える場合は、それぞれに流す電流の方向は逆方向となる。スピン軌道トルク配線は、電流が流れる際のスピンホール効果によってスピン流を発生させる機能を有する金属、合金、金属間化合物、金属硼化物、金属炭化物、金属珪化物、金属燐化物のいずれかによって構成される。

また第１電極４１及び第２電極４２を設置しなくてもよい。この場合、磁気記録層２０の磁壁は、外部磁場によって移動させる。

「制御部」
＜磁気トラップ層＞
磁気トラップ層７０は、磁気記録層２０の第１強磁性層１０と反対側に位置する。磁気トラップ層７０は、磁壁の移動を制御する複数の磁気トラップ部を有する。

磁気トラップ層７０は、磁性体を含む。磁気トラップ層７０は、磁気記録層２０のｘ方向に磁気的なポテンシャルの分布を生み出すことができれば特に問わない。磁気的なポテンシャルの分布は、磁壁２１の移動しやすさを変え、磁壁２１の移動範囲を制御する。以下、磁気トラップ層７０の具体例を例示して説明する。

図２は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の磁気トラップ層をｚ方向から平面視した図である。図２に示す磁気トラップ層７０Ａは、ｙ方向に凸部７１と凹部７２とを有する。ｘ方向に凸部７１が設けられた部分は、凹部７２となる部分より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きい。つまり、凸部７１は磁気トラップ部として機能し、凹部７２は非磁気トラップ部として機能する。非磁気トラップ部は、磁気トラップ部より磁壁の動きを制御する力の弱い部分を意味する。

図３は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の磁気トラップ層をｚ方向から平面視した図である。図３に示す磁気トラップ層７０Ａは、第１領域７３と第２領域７４とを備える。第１領域７３と第２領域７４とは、異なる材料からなる。第１領域７３が生み出す磁場強度が、第２領域７４が生み出す磁場強度より大きい場合は、第１領域７３が磁気トラップ部として機能し、第２領域７４が非磁気トラップ部として機能する。

例えば、第１領域７３を硬磁性体とし、第２領域７４を非磁性体とする。第１領域７３を構成する硬磁性体と磁気記録層２０の磁化とが磁気結合することで、磁壁２１がトラップされる。すなわちこの場合、第１領域７３を構成する硬磁性体が磁気トラップ部として機能し、第２領域７４を構成する非磁性体が非磁気トラップ部として機能する。

また例えば、第１領域７３を軟磁性体とし、第２領域７４を非磁性体とする。軟磁性体は、磁気記録層２０の磁化を吸収し、第１領域７３近傍において磁壁２１は移動しやすくなる。すなわちこの場合、第１領域７３を構成する軟磁性体が非磁気トラップ部として機能し、第２領域７４を構成する非磁性体が磁気トラップ部として機能する。

図４は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。図４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１は、磁気トラップ層７０Ｃの磁気記録層２０側の表面が凹凸形状である点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。図４に示す磁気トラップ層７０Ｃは、ｚ方向に凸部７５と凹部７６とを有する。ｘ方向に凸部７５が設けられた部分は、凹部７６となる部分より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きい。つまり、凸部７５は磁気トラップ部として機能し、凹部７６は非磁気トラップ部として機能する。

図５は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例を模式的に示した断面図である。図５に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２は、磁気トラップ層７０Ｄにおいて所定の材料からなる第１領域７７が第２領域７４中に点在している点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。例えば、第１領域７７が強磁性体であり、第２領域７８が非磁性体である場合、第２領域は磁場を発生せず、第１領域７７の方が強い磁場強度を発生する。つまり第１領域７７は磁気トラップ部として機能し、第２領域７８は非磁気トラップ部として機能する。なお、第１領域７７が軟磁性体の場合は、第１領域７７は非磁気トラップ部として機能する。

磁気トラップ部と非磁気トラップ部とは、ｘ方向に交互に存在することが好ましい。ｘ方向に磁気トラップ部と非磁気トラップ部とを交互に設けることで、磁壁２１が段階的に止まりやすくなり、磁壁移動型磁気記録素子がデータを多値で記録しやすくなる。また磁気トラップ部は、ｘ方向に周期的に存在することが好ましい。磁気記録層２０内で磁壁２１が止まりやすい部分が周期的になることで、データを多値記録する際の抵抗変化量を一定にすることができ、安定的にデータを多値で記録できる。

磁気トラップ層７０と磁気記録層２０との距離は近接しているほど好ましい。磁気トラップ層７０と磁気記録層２０との距離とは、磁気トラップ層７０と磁気記録層２０との最距離を意味し、図４に示すように磁気トラップ層７０Ｃが凹凸を有する場合は凸部７５の頂面と磁気記録層２０との距離を意味する。磁気トラップ層７０と磁気記録層２０との距離は、２０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。磁気トラップ層７０と磁気記録層２０との距離は、後述する平坦化層８０の厚みで容易に制御できる。

＜平坦化層＞
平坦化層８０は、磁気記録層２０と磁気トラップ層７０との間に配設される。平坦化層８０は、磁気トラップ層７０の磁気記録層２０側の面及び磁気記録層２０の磁気トラップ層７０側の面を平坦化する。

平坦化層８０により磁気記録層２０の形状変化を抑制できる。磁気記録層２０の形状が一定になると、磁気記録層２０内を流れる電流の電流密度がｘ方向で一定になる。磁気記録層２０内で局所的に磁壁２１の移動が素早くなることや、電流集中により磁気記録層２０が発熱しデータの信頼性が低下することを抑制できる。つまり、磁壁移動型磁気記録素子のノイズが低減され、データを多値で安定的に記録しやすくなる。

平坦化層８０は、絶縁性を有する材料からなることが好ましい。第１電極４１及び第２電極４２間を流れる電流が、磁気記録層２０以外の部分を流れることを避けるためである。平坦化層８０の抵抗が磁気記録層２０の抵抗より充分大きい場合は、平坦化層８０に導体、半導体等を用いてもよい。

平坦化層８０の厚みは、２０ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましく、５ｎｍ以下であることがさらに好ましい。また平坦化層８０の厚みは、２ｎｍ以上であることが好ましい。平坦化層８０の厚みが当該範囲であれば、磁気トラップ層７０の磁気記録層２０側の面及び磁気記録層２０の磁気トラップ層７０側の面を充分平坦化することができ、磁気トラップ層７０と磁気記録層２０との距離を充分近接させることができる。

上述のように、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００、１０１、１０２は、磁気トラップ層７０により磁気記録層２０の磁壁２１の移動を制御することができる。また平坦化層８０を設けることで、記録層６０の形状を一定にし、磁壁移動型磁気記録素子１００、１０１、１０２にノイズが発生することを低減できる。また平坦化層８０を介して積層方向に磁気トラップ層７０を設けることで、磁気トラップ層７０と磁気記録層２０とを容易に近接させることができる。

「第２実施形態」
図６は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図６に示す磁壁移動型磁気記録素子１０３は、磁気トラップ層が第１磁気トラップ部を有する点が、図４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１と異なる。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。

第１磁気トラップ部は、磁気記録層２０の磁壁２１の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する部分である。当該条件を満たせば特に限定されるものではないが、磁気トラップ層の具体例を例示して説明する。

図６に示す磁気トラップ層７０Ｅは、凸部７５と凹部７６とを有する。凸部７５の中には、ｘ方向の幅が他の凸部７５より広い第１凸部７５ａがある。第１凸部７５ａは他の凸部７５より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きく、他の凸部７５より強く磁壁２１の動きを制御する。従って、第１凸部７５ａは第１磁気トラップ部となり、凸部７５が他の磁気トラップ部となる。

図７は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図７に示す磁気トラップ層７０Ｆは、凸部７５と凹部７６とを有する。凸部７５の中には、ｚ方向の厚みが他の凸部７５より厚い第２凸部７５ｂがある。第２凸部７５ｂも第１凸部７５ａと同様に、他の凸部７５より体積が大きく、他の凸部７５より強く磁壁２１の動きを制御する。従って、第２凸部７５ｂは第１磁気トラップ部となり、凸部７５が他の磁気トラップ部となる。

ここまで磁気トラップ層７０Ｅ、７０Ｆが凹凸を有する場合について説明したが、図５に示すように、磁気トラップ層が材料の異なる第１領域７７及び第２領域７８からなる場合においても同様である。

図８は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図８に示す磁気トラップ層７０Ｇは、第１領域７７と第２領域７８とを有する。第１領域７７の中には、ｘ方向の幅が他の第１領域７７より広い特定領域７７ａがある。特定領域７７ａは他の第１領域７７より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きく、他の第１領域７７より強く磁壁２１の動きを制御する。従って、特定領域７７ａは第１磁気トラップ部となり、他の第１領域７７が他の磁気トラップ部となる。

図９は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図９に示す磁気トラップ層７０Ｈは、第１領域７７と第２領域７８とを有する。第１領域７７の中には、ｚ方向の厚みが他の第１領域７７より広い第２特定領域７７ｂがある。第２特定領域７７ｂは他の第１領域７７より体積が大きく、生み出す磁場強度が大きく、他の第１領域７７より強く磁壁２１の動きを制御する。従って、第２特定領域７７ｂは第１磁気トラップ部となり、他の第１領域７７が他の磁気トラップ部となる。

ここまで磁壁移動型磁気記録素子の断面形状において確認できる第１磁気トラップ部について説明したが、例えば図２に示す平面視形状において凸部７１の形状を変化させてもよい。また形状以外の方法で、第１磁気トラップ部を設けてもよい。

図１０は、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例の断面模式図である。図１０に示す磁気トラップ層７０Ｉは、第１領域７７と第２領域７８とを有する。第１領域７７の中には、構成する材料の異なる別材料領域７７ｃがある。別材料領域７７ｃを構成する材料が、他の第１領域７７を構成する材料より磁化強度が強い場合、磁壁２１は別材料領域７７ｃ近傍で強くトラップされる。つまり、別材料領域７７ｃは第１磁気トラップ部となり、他の第１領域７７が他の磁気トラップ部となる。

磁気トラップ層が磁壁の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する第１磁気トラップ部を有すると、磁壁２１の移動速度がその近傍で大きく変化する。そのため、磁壁移動型磁気記録素子のデータの変化点として利用できる。また第１磁気トラップ部は、平面視で第１強磁性層１０よりｘ方向の内側に位置することが好ましく、第１強磁性層１０のｘ方向の両端と重なる位置に配設されていることがより好ましい。磁壁移動型磁気記録素子の抵抗値変化は、磁壁２１が第１強磁性層１０と平面視重なる位置に存在する場合に生じる。第１強磁性層１０のｘ方向の両端と重なる位置に第１磁気トラップ部を設けることで、抵抗値変化の最大値と最小値の決定が容易になる。すなわち、多値記録の開始点と終了点を明確にすることができ、磁壁移動型磁気記録素子のデータの信頼性を高めることができる。

「第３実施形態」
図１１は、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１０８は、磁気記録層２０と非磁性層３０との間に、磁気記録層２０の磁化状態を反映する第２強磁性層５０を備える点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。なお、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、第１実施形態及び第２実施形態のいずれの素子に対しても適用できる。

第２強磁性層５０は、磁性体を含む。第２強磁性層５０を構成する磁性体は、第１強磁性層１０と同様のものを用いることができる。

第２強磁性層５０は、磁気記録層２０と隣接している。第２強磁性層５０の磁化は、磁気記録層２０の磁化と磁気結合している。そのため、第２強磁性層５０は、磁気記録層２０の磁気状態を反映する。第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが強磁性カップリングする場合は第２強磁性層５０の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と同一になり、第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが反強磁性カップリングする場合は第２強磁性層５０の磁気状態は磁気記録層２０の磁気状態と反対になる。

磁気記録層２０と非磁性層３０との間に第２強磁性層５０を挿入すると、磁壁移動型磁気記録素子１０８内における第２強磁性層５０と磁気記録層２０との機能を分けることができる。磁壁移動型磁気記録素子１０８のＭＲ比は、非磁性層３０を挟む２つの磁性体（第１強磁性層１０と第２強磁性層５０）の磁化状態の変化により生じる。そのため、第２強磁性層５０にＭＲ比の向上する機能を主として担わせ、磁気記録層２０に磁壁２１を移動させる機能を主として担わせることができる。

第２強磁性層５０と磁気記録層２０の機能を分けると、それぞれを構成する磁性体の自由度が高まる。第２強磁性層５０に第１強磁性層１０とのコヒーレントトンネル効果を得られる材料を選択することができ、磁気記録層２０に磁壁の移動速度が遅くなる材料を選択することができる。

上述のように、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０８においても、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また第２強磁性層５０を挿入することで、これらの層に用いる材料選択の自由度を高めることができる。また材料選択の自由度が高まることで、磁壁移動型磁気記録素子１０８のＭＲ比をより高めることができる。

「第４実施形態」
図１２は、第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０９の平面模式図である。図１２に示す磁壁移動型磁気記録素子１０９は、記録部６０が複数ある点が、図５に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２と異なる。第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。なお、第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子は、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態のいずれの素子に対しても適用できる。

図１２に示す磁壁移動型磁気記録素子１０９は、記録部６０が複数ある。複数の記録部６０は、ｘｙ面内に広がる制御部９０にそれぞれ配設されている。制御部９０を構成する磁気トラップ層の磁気トラップ部は、複数の磁気記録層２０を横断している。図１２は、磁気トラップ部として機能する第１領域７７が、ｙ方向に延在する複数の記録部６０を横断している。磁気トラップ部と記録部６０との位置関係は、平面視直交に限られず、交差していてもよい。

磁気トラップ部が複数の記録部６０に渡って存在することで、それぞれの記録部６０で同じように多値記録を行うことができる。つまり、多値化信号を均等に変化させることができる。それぞれの記録部６０でデータを記録する閾値が一定となることで、それぞれの記録部６０間の差が小さくなる。その結果、磁壁移動型磁気記録素子１０９全体としてのノイズが少なくなり、データを安定的に多値記録することができる。

以上、本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

「第５実施形態」
図１３は、第５実施形態にかかる磁気記録アレイ２００の平面図である。図１３に示す磁気記録アレイ２００は、磁壁移動型磁気記録素子の記録部６０が３×３のマトリックス配置をしている。図１３は、磁気記録アレイの一例であり、記録部６０の種類、数及び配置は任意である。また制御部は、全ての記録部６０に渡って存在してもよいし、記録部６０毎に設けてもよい。

磁壁移動型磁気記録素子１００には、それぞれ１本のワードラインＷＬ１〜３と、それぞれ１本のビットラインＢＬ１〜３、それぞれ１本のリードラインＲＬ１〜３が接続されている。

電流を印加するワードラインＷＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意の記録部６０の磁気記録層２０にパルス電流を流し、書き込み動作を行う。また電流を印加するリードラインＲＬ１〜３及びビットラインＢＬ１〜３を選択することで、任意の記録部６０の積層方向に電流を流し、読み込み動作を行う。電流を印加するワードラインＷＬ１〜３、ビットラインＢＬ１〜３、及びリードラインＲＬ１〜３はトランジスタ等により選択できる。それぞれの記録部６０が多値で情報を記録することで、磁気記録アレイの高容量化を実現できる。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０第１強磁性層
２０磁気記録層
２１磁壁
２２第１の磁区
２３第２の磁区
３０非磁性層
４１第１電極
４２第２電極
５０第２強磁性層
６０記録部
７０、７０Ａ、７０Ｂ、７０Ｃ、７０Ｄ、７０Ｅ、７０Ｆ、７０Ｇ、７０Ｈ、７０Ｉ磁気トラップ層
７１、７５凸部
７２、７６凹部
７３、７７第１領域
７４、７８第２領域
７５ａ第１凸部
７５ｂ第２凸部
７７ａ特定領域
７７ｂ第２特定領域
７７ｃ別材料領域
８０平坦化層
９０制御部
１００磁壁移動型磁気記録素子
２００磁気記録アレイ

Claims

強磁性体を含む第１強磁性層と、
前記第１強磁性層の積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を含む磁気記録層と、
前記第１強磁性層と前記磁気記録層との間に挟まれた非磁性層と、を備える記録部と、
前記磁気記録層の前記第１強磁性層と反対側に位置し、前記磁気記録層の磁壁の動きを制御するための複数の磁気トラップ部を有する磁気トラップ層と、
前記磁気トラップ層と前記磁気記録層との間に挟まれ、前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の面を平坦化する平坦化層と、を備える制御部と、
を備える、磁壁移動型磁気記録素子。
前記磁気トラップ層の前記磁気記録層側の表面が凹凸形状である、請求項１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記磁気トラップ層は、磁気トラップ部と前記磁気トラップ部より磁壁の動きを制御する力の弱い非磁気トラップ部とを、前記第１の方向に交互に有する、請求項１又は２に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記複数の磁気トラップ部が前記第１の方向に周期的に存在する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記複数の磁気トラップ部は、磁壁の動きを他の磁気トラップ部より強く制御する第１磁気トラップ部を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記第１磁気トラップ部は、前記第１強磁性層より前記第１の方向に平面視内側に位置する、請求項５に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記第１磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より前記第１の方向に長い、請求項５又は６に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記第１磁気トラップ部は、前記他の磁気トラップ部より積層方向の厚みが厚い、請求項５〜７のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記第１磁気トラップ部を構成する材料は、前記他の磁気トラップ部を構成する材料と異なる、請求項５〜８のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記磁気トラップ層が硬磁性体を有し、前記硬磁性体が磁気トラップ部をなす、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記磁気トラップ層が軟磁性体を有し、前記軟磁性体が非磁気トラップ部をなす、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記記録部が複数あり、
前記制御部を構成する磁気トラップ層の磁気トラップ部が、複数の前記磁気記録層を横断している、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
前記磁気記録層と前記非磁性層との間に、前記磁気記録層の磁化状態を反映する第２強磁性層を備える、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。