JP4403264B2 - 環状単磁区構造微小磁性体およびその製造方法又はそれを用いた磁気記録素子 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁化のループ方向を制御可能で、かつスタティックな環状単磁区構造を有する微小磁性体、並びにその微小磁性体を基板上に配置した磁気記録素子およびそれらの製造方法に関し、特に、その磁気記録素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリーに関する。
【０００２】
【従来技術】
次世代の主記憶用メモリとしては、ＳＲＡＭに迫る高速性と、ＤＲＡＭに近い集積度と、さらに無制限の書き換え可能でかつ不揮発であることが要求されており、これらの観点から、ＭＲＡＭが有力視されている。
【０００３】
ＭＲＡＭとは、magnetic random access memoryのことで、磁気抵抗素子と標準的な半導体技術を組み合わせたメモリであり、不揮発性、低電圧動作、無制限の読み出し・書き込み階と、高速な読み出し・書き込み速度、および優れた耐放射線性などの特徴がある。
【０００４】
ここで、磁気抵抗素子とは、磁化の状態により、高い抵抗値と低い抵抗値の状態を持つ素子のことで、この抵抗値を検出することで、磁化の状態を判定するものである。その抵抗値の検出には、例えば、薄い非磁性層を挟んだ２つの強磁性層間のトンネル電流を計測する方式（ＴＭＲ：tunneling magneto resistive）等が考えられる。
【０００５】
現行のＭＲＡＭ方式でも、そのＳＲＡＭと同等以下のセル面積とアクセス時間を実現できる上、不揮発性という特性から、少なくともＳＲＡＭの代替としての用途は、ほどなく実用となろう。また、フラッシュＥＥＰＲＯＭの利用分野への適用も想定される。
【０００６】
一方、超高密度磁気記録における記録エリアは、すでにナノスケールの領域に入っている。そして、ナノスケール磁性体の磁区構造や磁化反転過程などの振舞は、いわゆるバルクの磁性とは全く異なっていることが知られている。例えば、ミクロン、サブミクロンサイズの磁性ディスクでは、中心部に渦巻き状のvortex磁区構造をとることが知られている。
【０００７】
これは、ナノ領域になると、磁壁の形成はかえってエネルギー的に不利となってしまうためと考えられ、ナノスケール磁性体では、中心部に同心円状の渦巻き構造をとることで磁壁を解消し、静磁エネルギーの低減を図られている。特に、ナノスケールの円形状やリング状の強磁性体では、閉じた磁区構造を有し、同心円状の渦巻き構造が観測されることが報告されている。（非特許文献１参照。）
【０００８】
ところが、こうしたナノスケールの円盤状強磁性体における、外部磁界を取り去ったときの磁化の向きは、時計回りとなることも、反時計回りとなることもありえ、安定して制御できなかった。（非特許文献２，３参照）
【０００９】
また、ナノスケールのリング状強磁性体において、外部磁界の付与とその除去により、局所的なvortex構造の発生、成長を経て、リング全域が一方向に磁化している状態からvortex構造に変化していくこと、並びにその逆現象が知られている。（非特許文献４参照）
【００１０】
なお、過渡的に発生する局所的な磁化の歪みには、C型モードとＳ型モードがあり、Ｃ型モードは、よりサイズが小さい場合に優勢であることが知られている。（非特許文献５参照）
【００１１】
【非特許文献１】
「日本応用物理学会誌」Vol.26,No.12（2002）pp.1168-1173
【非特許文献２】
「アプライド フィジックス レターズ(APPLIED PHYSICS LETTERS)」，Vol.77,No.18(2000),pp.2909-2911
【非特許文献３】
「フィジカル レビュー レターズ(PHYSICAL REVIEW LETTERS)」，Vol.88,No.15(2002),pp.157203-1〜157203-4
【非特許文献４】
「ジャーナル オブ アプライド フィジックス(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS)」，Vol.92,No.12(2002),pp.7397-7403
【非特許文献５】
「ジャーナル オブ アプライド フィジックス(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS)」，Vol.92,No.3(2002),pp.1466-1472
【００１２】
【解決すべき課題】
こうしたＭＲＡＭの用途的な広がりを考える上で、最も支障となるのは、セル面積の問題であろう。特に、ＤＲＡＭとの混載を考えても、ＤＲＡＭに比べＭＲＡＭのセル面積は数倍にも及び、同じデザインルールが採用できないという問題が想定される。
【００１３】
少なくとも、現行のＭＲＡＭは、原理的に、書き込みに誘導磁界を用いるため、書き込み電流の低減が難しい上、他の誘導磁界からの影響を回避するために、配線幅や周辺回路面積を小さくしづらい。そこで、小さい書き込み電流でも安定して磁化の制御をできる素子が求められている。
【００１４】
一方、セル面積の小型化を目指してナノスケール強磁性体を採用した場合、その磁化の状態は、vortex構造をとることが予想されるが、その際の磁化の向きは、制御することが極めて難しく、過渡状態において発生する磁化分布の歪みの状況如何によって、時計回りとなることも反時計回りとなりうる。
【００１５】
これでは、磁化の向きを制御できないことから、例えば、磁気抵抗効果を利用して、抵抗値の高低から、磁化の状態を読み出すことができない。したがって、このスケールのセルを採用した場合、メモリとしては利用できないことになる。
【００１６】
こうしてみてくると、ＭＲＡＭの実用には、セル面積のナノスケール化が不可欠であるが、その場合、通常の磁化方式では、セルの磁化状態、すなわち、磁化の回転方向を制御できないという問題がある。したがって、現行方式のＭＲＡＭは、ＳＲＡＭやフラッシュＥＥＰＲＯＭとの代替は可能であるとしても、ＤＲＡＭとの混載には不向きであり、更にＤＲＡＭに取って代わることは難しい。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の技術的課題を解決し、ＤＲＡＭとの混載やＤＲＡＭに代わる主記憶として利用可能な磁気記憶素子を提供するものであって、次の技術的事項からなる。
【００１８】
本発明（１）は、平板状の強磁性体からなり、その平面部形状は、線対称軸を有するとともに該線対称軸と垂直な方向に対しては非対称であって、平行外部磁界の消滅時に環状単磁区構造を示すことを特徴とする、微小磁性体である。
本発明（２）は、強磁性材料からなり、オンオフ及び反転制御可能な平行外部磁界に対して、平行な平面部を備え、
該平面部形状が、前記平行外部磁界に対して非対称であるとともに前記平行外部磁界と垂直な方向に対しては左右対称となる線対称軸を有するものであって、
前記平行外部磁界を印加した後に消去した時に環状単磁区構造を示すことを特徴とする、微小磁性体。
本発明（３）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な切欠を外周部に設けたものであって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１）又は本発明（２）の何れか1発明の微小磁性体。
本発明（４）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状であって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１）又は本発明（２）の何れか1発明の微小磁性体。
本発明（５）は、前記平面部形状は、最大幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする本発明（１）〜（４）の何れか1発明の微小磁性体。
本発明（６）は、非強磁性体基板上に、少なくとも１つ以上の強磁性領域層を備えるとともに、該強磁性領域層に対してオンオフ及び反転制御可能な平行磁界を印加しうる外部磁界発生手段を備え、
前記強磁性領域層の平面形状は、前記外部磁界発生手段の平行磁界に対して、左右非対称であるとともに、該平行磁界と垂直な方向に対しては左右対称となる線対称軸を有するものであって、
前記外部磁界発生手段により、外部磁界を印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を環状単磁区構造とするとともに、前記外部磁界を反転して印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を逆方向の磁化方向を有する環状単磁区構造となることを特徴とする、磁気記録素子。
本発明（７）は、非強磁性体基板上に、少なくとも１つ以上の強磁性領域層を備えるとともに、該強磁性領域層に対してオンオフ及び反転制御可能な平行磁界を印加しうる外部磁界発生手段を備え、
前記強磁性領域層の平面形状は、前記外部磁界発生手段の平行磁界に対して、左右非対称であるとともに、該平行磁界と垂直な方向に対しては左右対称となる線対称軸を有するものであって、
前記外部磁界発生手段により印加する磁界の向きが、前記強磁性体領域総の左右非対称軸とは平行でない場合には、前記強磁性体領域層の環状単磁区構造が磁界消滅後に変化しないことを特徴とする、磁気記録素子。
本発明（８）は、前記強磁性領域層は、非磁性層を挟んで上下方向に積層構造をなすとともに、少なくとも上下何れか一方の強磁性領域層を他方の強磁性体領域層よりアスペクト比を大きく形成することにより、アスペクト比が小さい強磁性体領域の磁化方向をアスペクト比の大きい強磁性体領域の磁化方向に対して独立して制御可能に構成し、前記強磁性領域層間の抵抗値に基づいて、前記強磁性領域層における磁化の方向を検出することを特徴とする、本発明（６）又は（７）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（９）は、前記アスペクト比は、同一平面形状の強磁性領域層の厚さの違いによるものであることを特徴とする、本発明（８）の磁気記録素子。
本発明（１０）は、前記アスペクト比は、強磁性領域総の平面部面積の違いによるものであることを特徴とする、本発明（８）の磁気記録素子。
本発明（１１）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な切欠を外周部に設けたものであって、
前記平行外部磁界印加時に、前記強磁性領域層の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（６）〜（１０）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（１２）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状であって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（６）〜（１０）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（１３）は、前記平面部形状は、最大部幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする、本発明（６）〜（１２）の何れか1発明の磁気記録素子。
本発明（１４）は、前記強磁性領域層の上下には、それぞれ書き込み用ビット線と書き込み用ワード線がさらに配線されており、これら配線に通電することにより生じる合成誘導磁界が前記平行外部磁界として作用するように、前記強磁性領域層の線対称軸が配置されていることを特徴とする、本発明（６）〜（１４）の何れか1発明の磁気記録素子。
本発明（１５）は、前記強磁性体領域層を各強磁性体領域層の平面部が平行かつ各強磁性体領域層間に非磁性層が介在するように垂直方向に複数積層するとともに、各平面部の線対称軸の方位が相互に位相差をもって垂直方向に配置され、書き込みビット線及び書き込み用ワード線から生じる合成誘導磁界の向きにより、最下層及び／又は最上層の強磁性体領域層を除く何れか１つ以上の中間の各強磁性体領域層の磁化方向を独立して制御可能としたことを特徴とする、本発明（６）〜（１４）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（１６）は、本発明（１４）又は（１５）の何れか1発明の磁気記録素子を前記非強磁性体基板上に複数配置し、各磁気記録素子を独立して選択可能としたことを特徴とする、磁気ランダムアクセスメモリー。
本発明（１７）は、前記非強磁性体基板上に複数配置された前記磁気記録素子は、隣接する磁気記録素子の同一高さの強磁性体領域層の平面部線対称軸同士が同一方位とならないように配置されていることを特徴とする、本発明（１６）の磁気ランダムアクセスメモリー。
本発明（１８）は、平板状の強磁性体であって、その平面部形状が線対称軸を有するとともにその線対称軸と垂直な方向には非対称である微小磁性体を、平行外部磁界が印加可能な領域内に、前記線対称軸を該平行外部磁界の印加方向に対して垂直になるように配置する工程、
前記微小磁性体に対して前記平行外部磁界を印加する外部磁界形成手段を配置する工程、
を少なくとも含むことを特徴とする、環状単磁区構造の微小磁性体を製造する方法。
本発明（１９）は、前記平行外部磁界形成手段とは、印加する磁界の向きを反転可能であるとともにオンオフ可能であることを特徴とする、本発明（１８）の環状単磁区構造の微小磁性体を製造する方法。
本発明（２０）は、前記微小磁性体は、スパッタ法、電子線ビーム蒸着法、分子線エピタキシー法のうち何れか一種又はその組合せにより、パターニングされることを特徴とする、本発明（１８）又は（１９）の何れか１発明の環状単磁区構造の微小磁性体を製造する方法。
本発明（２１）は、非磁性体基板上に、少なくとも書き込み用ワード線を描画する工程と、磁気抵抗効果素子を描画する工程と、書き込み用ビット線を描画する工程とを少なくとも含む微小磁気記録素子の製造方法において、
前記磁気抵抗効果素子を描画する工程は、
平板状の強磁性体であって、その平面部形状が線対称軸を有するとともにその線対称軸と垂直な方向には非対称である第１微小磁性体を、前記書き込み用ワード線と書き込み用ビット線に通電することによって生じる合成誘導磁界の向きに対して前記線対称軸が垂直になるように配置する工程と、
前記平板状の強磁性体の上面を覆うように、非磁性層堆積する工程と、
前記第１微小磁性体の垂直上方の前記非磁性層上に、前記第１微小磁性体と同材質かつアスペクト比の異なる形状の第２微小磁性体を、界面が平行になるよう配置する工程とを少なくとも含み、
前記合成誘導磁界の制御により、少なくともアスペクト比の小さい微小磁性体の誘導磁界消滅時の磁化方向を制御可能とした、環状単磁区構造の微小磁性体からなる磁気記録素子の製造方法。
本発明（２２）は、前記アスペクト比は、同一平面形状の強磁性領域層の厚さの違いによるものであることを特徴とする、本発明（２１）の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２３）は、前記アスペクト比は、強磁性領域総の平面部面積の違いによるものであることを特徴とする、本発明（２１）の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２４）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な切欠を外周部に設けたものであって、
前記平行外部磁界印加時に、前記強磁性領域層の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１８）〜（２３）の何れか１発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２５）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状であって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１８）〜（２３）の何れか１発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２６）は、前記平面部形状は、最大部幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする、本発明（１８）〜（２５）の何れか1発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２７）は、前記強磁性領域層の上下には、それぞれ書き込み用ビット線と書き込み用ワード線がさらに配線されており、これら配線に通電することにより生じる合成誘導磁界が前記平行外部磁界として作用するように、前記強磁性領域層の線対称軸が配置されていることを特徴とする、本発明（１８）〜（２６）の何れか1発明の磁気記録素子。
本発明（２８）は、前記強磁性体領域層を各強磁性体領域層の平面部が平行かつ各強磁性体領域層間に非磁性層が介在するように垂直方向に複数積層するとともに、各平面部の線対称軸の方位が相互に位相差をもって垂直方向に配置し、書き込みビット線及び書き込み用ワード線から生じる合成誘導磁界の向きにより、最下層及び／又は最上層の強磁性体領域層を除く何れか１つ以上の中間の各強磁性体領域層の磁化方向を独立して制御可能としたことを特徴とする、本発明（１８）〜（２７）の何れか１発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２９）は、本発明（２７）又は（２８）の何れか1発明の磁気記録素子の製造方法を用いて、前記非強磁性体基板上に該磁気記録素子を複数配置し、各磁気記録素子を独立して選択可能としたことを特徴とする、磁気ランダムアクセスメモリーの製造方法。
本発明（３０）は、前記非強磁性体基板上に複数配置された前記磁気記録素子は、隣接する磁気記録素子の同一高さの強磁性体領域層の平面部線対称軸同士が同一方位とならないように配置したことを特徴とする、本発明（２９）の磁気ランダムアクセスメモリーの製造方法。
ここで、局所領域における磁化の方向（分極の方向）は、強磁性体領域の形状異方性の効果により、外部磁界の下にあっても、必ずしも、外部磁界と平行になる訳ではなく、強磁性体領域の外縁形状に沿った、磁化方位分布の不連続が生じる。この磁化方位分布における不連続がきっかけとなって、外部磁界が取り去られた時に、局所的なＣ型のvortex構造が強磁性体領域に導入され、強磁性体領域全体に伝播して、vortex構造の環状単磁区構造が生じるものと考えられる。
【００１９】
【実施の形態】
図１に、本発明で採用した強磁性体の平面部形状の一例を示す。この平面部形状は、円形から、一部を切り欠く又は一部に張り出しを設けた形状で、外部磁界の方向に対して左右非対称で、その垂直方向に対しては、左右対称となる形状であることを基本とする。
【００２０】
図１では、直径（Ｄ）1μｍの円に対し、この円の直径Ｄを長辺としてその０．２５×Ｄの短辺とする長方形を、その長辺が円の中心を通るように重ね合わせた場合の投影形状を平面形状に採用したものである。また、その厚さは50ｎｍとした。なお、本発明は、この図１の形状に限定されるものではない。
【００２１】
【実施例１】
この図１に示される強磁性体に対し、1000Ｏｅの外部磁界を印加した場合のシミュレーションした際の磁化の方向の様子を図２に示す。この例では、外部磁界の印加方向と前記長方形の長辺とを平行に配置し、外部磁界に対しては非対称にかつ外部磁界と垂直方向には左右対称とした。
【００２２】
まず、1000Ｏｅの外部磁界を図中左から右方向に印加した場合の磁化の様子を右側の四角に示す。外部磁界が強磁性体内を貫通することにより、強磁性体内の磁化も外部磁界と概ね平行となった。ここで、円の外周から張り出した長方形部分の磁化の向きが、外部磁界とは完全には平行とならず、強磁性体の外周部における磁化の向きの変化に不連続が生じていることが判明した。端面効果によるものと考えられる。
【００２３】
次に、この状態から外部磁界を取り去った際の磁化の様子を、図中中央上側の四角に示す。その結果、時計周りのvortex構造となった閉じた単磁区が形成された。
【００２４】
また、このvortex構造となった試料に対し、反対向きに1000Ｏｅの外部磁界を印加した場合の様子を、図中左側の四角に示す。外部磁界と平行に矢印の方向（磁化の向き）が概ね左向きに揃っていることが観察される。
【００２５】
そして、この左向きに揃った状態から、外部磁界を取り去る（０Ｏｅとする）と、今度は、図中中央下側の四角に示されるとおり、半時計周りの磁化が観察された。
【００２６】
更に、この半時計巻きとなった磁性体に対し、また、右向き又は左向きの外部磁界を印加した場合も、同様に外部磁界と同じ向きに磁化することができ、再現性があることが示された。同様に、図中中央の上側の状態からも外部磁界の印加する向きによって、自由に磁化の向きを一方に揃えることができた。
【００２７】
この結果よりみて、外部磁界の磁場の方向を切り替えることで、自由に強磁性体領域内の磁化の方向分布、特に、vortex構造における回転方向を制御できることが確認できた。しかも、この磁化の向きの制御は可逆的で、かつ際限なく繰り返すことができることを確認した。
【００２８】
実施例を比較して、前述の磁化の向きの変化における不連続となっている箇所の磁化の向きに沿って、渦を巻くことが判明した。この磁化の向きにおける不連続は、外部磁界に対する形状異方性に伴う端面効果により生じたものであって、この外部磁界の方向に対して左右対称とならない磁化成分が、外部磁界を取り除いた際に残留し、この局所的な磁化の歪が引き金となって、磁性体全体に広がり渦巻き方向を決定しているもと考えられる。
【００２９】
【実施例２】
図３は、本発明にかかる微小磁性体を用いて、磁気記録素子を構成する場合の原理を説明するための図である。本発明の磁性体を、薄い非磁性層（２）を挟んで上下２層に配置したものを複数平面的に配置した。下側の磁性体の層厚を大きくして固定層（３）として、上側の薄い磁性層をフリー層（１）としたものである。
【００３０】
ここで、両強磁性体の磁化の向きが共通である場合には、両強磁性体層間の抵抗値が小さく、磁化の向きが反対である場合には、抵抗値が大きくなることが、磁気抵抗効果として知られている。したがって、本発明は、フリー層のvortex磁界の向きを外部磁界により制御することにより書き込みを行い、磁気抵抗効果を利用して、その磁化の向きを判定することにより読み出しを行う、磁気記録素子である。
【００３１】
ここで、vortex磁界の形状依存性について、測定した結果を図４および図５に示す。図４には直径１ミクロンの強磁性体の厚みを種々に変化させて、ｖｏｒｔｅｘ磁界の消滅する外部磁場の大きさを測定した結果である。一方、図５は、厚み５０ｎｍの強磁性体の直径を種々に変化させて、同様にvortex磁界の消滅する外部磁場の大きさを測定した結果である。
【００３２】
これらの結果からみて、非磁性層を挟む両強磁性体の形状におけるアスペクト比を異ならせることにより、vortex磁場の消滅磁界に差を付けることが可能であることが判る。したがって、強磁性体形状におけるアスペクト比大きい方を磁化方向が固定した固定層とし、他方をフリー層の磁化方位を、両強磁性体のvortex消滅磁場の間の磁界を印加することにより制御するものである。これにより、本発明では、片方の磁化の向きを固定する為のピン層が必要なくなる。
【００３３】
【実施例３】
本発明にかかる微小磁性体に対し、磁性体の左右対称軸と垂直な方向を、書き込み用ビット線と書き込み用ワード線（ｗｗ１、ｗｗ２）が発生する合成磁界の向きと平行に配置し、磁気ランダムアクセスメモリーを構成した。その素子断面図を図６に示す。読み出しビット線並びに読み出し用のワード線（ｒｗ１、ｒｗ２）も別途敷設した。これらの読み出し用線の電流量は、書き込み用線に比べ小さいので、磁気抵抗効果素子における磁化の方向に影響しない。
【００３４】
ここで、書き込み用ビット線と書き込み用法ワード線（ｗｗ１、ｗｗ２）が交差する点のセル以外のセルでは、誘導磁界との合成が発生しないため、誘導磁場がフリー層のvortex消滅磁場を越えないように、書き込み用ワード線と書き込み用ビット線の電流量が設定してある。
【００３５】
磁気抵抗効果素子の上下の強磁性層における磁化の方向が同じ場合は、両強磁性層間の抵抗値は小さくなり、逆に反対向きの場合には、抵抗値は大きくなることから、読み出し用のビット線及び読み出し用のワード線により、所望のセルを選択しトンネル電流の大きさを検出すれば、当該セルのフリー層（１）の磁化の向きを読み出すことができる。
【００３６】
なお、図７のように隣接するセル間相互で、フリー層（１）の線対称軸方位を相違するように配置すれば、隣接するセルを選択した場合の誘導磁界の影響を受けにくくなることから、セル分離の問題が緩和され、セル配置の一層の高密度化が可能になる。
【００３７】
【実施例４】
図８には、１つのセルに多値を記録するためのセル構成の概略を示す。強磁性体領域を垂直方向に多層配置することを基本とする。まず、固定層（fx１、fx２）は、フリー層（fr１〜fr４）と同じ平面形状としないように構成した。これにより、アスペクト比を大きく取ることができるようになるとともに、形状異方性によるフリー層周辺部における磁化方位の乱れによる磁気抵抗への影響を最小限に留めることができる。
【００３８】
層間にトンネルバリア層（ｔｂ１〜ｔｂ５）を介挿しつつ、各フリー層（fr１〜fr４）の平面部線対称軸を、９０度ずつ位相をずらして垂直方向に積層配置した。なお、各フリー層間の位相差は９０度に限定されるものではないが、書き込み用ワード線及び書き込み用ビット線の配線のレイアウトを考慮すると、９０度の場合に多層化が用意となる。
【００３９】
そして、書き込み用ワード線及び書き込み用ビット線に、一つのフリー層の線対称軸と垂直方向の磁場がvortex消滅磁場以上となり、かつ他のフリー層の線対称軸と垂直方向の磁場成分がフリー層のvortex消滅磁場以下及び固定相のvortex消滅磁場以下となる強度の誘導磁場が発生するような大きさの電流を印加することにより、所望のフリー層の磁化方位のみを制御できる。
【００４０】
但し、読み出しは、固定層（ｒｂ１、ｒｂ２）間の抵抗値を検出することになるため、この実施例でも、１セル当たり２の４（フリー層数）乗分の情報量は記録できない。しかしながら、フリー層１層の場合に０，１の２値しかないのに比べ、１セルで３値を記憶できる上、その値も０，２，４の強度になることから、Ｓ／Ｎ比大きく取れ、セルを小型化しても、十分な大きさの抵抗値変化が期待できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、ナノスケールの微小磁性体にあっても、そのvortex構造における磁化の向きを制御可能になった。これによって、更なるセル面積の小型化が可能となったため、ＤＲＡＭとの混載やＤＲＡＭとの代替についても技術的な目処がたった。
【００４２】
さらに、本発明の磁性体の場合、その形状異方性があることから、各磁気抵抗効果素子の形状異方性の対称軸を、位相をずらして垂直方向に配置すれば、他の層の書き込み用ワード線から印加される誘導磁界の影響を小さく抑えることができることから、多層配置も可能となり、更なる高集積化も期待される。また、本発明では、片方の磁化の向きを固定する為のピン層が必要なくなることから、ＭＲＡＭ等のデバイス製造のプロセスが簡略化し、集積密度に比して製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる微小磁性体の平面部形状についての説明図
【図２】 本発明にかかる微小磁性体における、外部磁界に対する磁化履歴を示す図
【図３】 本発明にかかる微小磁性体を磁気記録方式についての説明図
【図４】 ボルテックス消滅磁場における磁性体厚依存性を示す図
【図５】 ボルテックス消滅磁場における磁性体径依存性を示す図
【図６】 本発明にかかる微小磁性体を用いてＭＲＡＭを構成した場合の素子断面図
【図７】 本発明にかかる微小磁性体を用いてＭＲＡＭを構成した場合、セル配置の一態様を示す図
【図８】 本発明にかかる多値記録素子とした場合の素子構造を示す図
【符号の説明】
Ｄ 平面部直径
１ フリー層
２ 非磁性層
３ 固定層
ｗｗ 書き込み用ワード線
ｗｂ 書き込み用ビット線
ｒｗ 読み出し用ワード線
ｒｂ 読み出し用ビット線
ｃ セル
ｆｒ フリー層
ｔｂ トンネルバリア層
ｆｘ 固定層
【発明の属する技術分野】
この発明は、磁化のループ方向を制御可能で、かつスタティックな環状単磁区構造を有する微小磁性体、並びにその微小磁性体を基板上に配置した磁気記録素子およびそれらの製造方法に関し、特に、その磁気記録素子を用いた磁気ランダムアクセスメモリーに関する。
【０００２】
【従来技術】
次世代の主記憶用メモリとしては、ＳＲＡＭに迫る高速性と、ＤＲＡＭに近い集積度と、さらに無制限の書き換え可能でかつ不揮発であることが要求されており、これらの観点から、ＭＲＡＭが有力視されている。
【０００３】
ＭＲＡＭとは、magnetic random access memoryのことで、磁気抵抗素子と標準的な半導体技術を組み合わせたメモリであり、不揮発性、低電圧動作、無制限の読み出し・書き込み階と、高速な読み出し・書き込み速度、および優れた耐放射線性などの特徴がある。
【０００４】
ここで、磁気抵抗素子とは、磁化の状態により、高い抵抗値と低い抵抗値の状態を持つ素子のことで、この抵抗値を検出することで、磁化の状態を判定するものである。その抵抗値の検出には、例えば、薄い非磁性層を挟んだ２つの強磁性層間のトンネル電流を計測する方式（ＴＭＲ：tunneling magneto resistive）等が考えられる。
【０００５】
現行のＭＲＡＭ方式でも、そのＳＲＡＭと同等以下のセル面積とアクセス時間を実現できる上、不揮発性という特性から、少なくともＳＲＡＭの代替としての用途は、ほどなく実用となろう。また、フラッシュＥＥＰＲＯＭの利用分野への適用も想定される。
【０００６】
一方、超高密度磁気記録における記録エリアは、すでにナノスケールの領域に入っている。そして、ナノスケール磁性体の磁区構造や磁化反転過程などの振舞は、いわゆるバルクの磁性とは全く異なっていることが知られている。例えば、ミクロン、サブミクロンサイズの磁性ディスクでは、中心部に渦巻き状のvortex磁区構造をとることが知られている。
【０００７】
これは、ナノ領域になると、磁壁の形成はかえってエネルギー的に不利となってしまうためと考えられ、ナノスケール磁性体では、中心部に同心円状の渦巻き構造をとることで磁壁を解消し、静磁エネルギーの低減を図られている。特に、ナノスケールの円形状やリング状の強磁性体では、閉じた磁区構造を有し、同心円状の渦巻き構造が観測されることが報告されている。（非特許文献１参照。）
【０００８】
ところが、こうしたナノスケールの円盤状強磁性体における、外部磁界を取り去ったときの磁化の向きは、時計回りとなることも、反時計回りとなることもありえ、安定して制御できなかった。（非特許文献２，３参照）
【０００９】
また、ナノスケールのリング状強磁性体において、外部磁界の付与とその除去により、局所的なvortex構造の発生、成長を経て、リング全域が一方向に磁化している状態からvortex構造に変化していくこと、並びにその逆現象が知られている。（非特許文献４参照）
【００１０】
なお、過渡的に発生する局所的な磁化の歪みには、C型モードとＳ型モードがあり、Ｃ型モードは、よりサイズが小さい場合に優勢であることが知られている。（非特許文献５参照）
【００１１】
【非特許文献１】
「日本応用物理学会誌」Vol.26,No.12（2002）pp.1168-1173
【非特許文献２】
「アプライド フィジックス レターズ(APPLIED PHYSICS LETTERS)」，Vol.77,No.18(2000),pp.2909-2911
【非特許文献３】
「フィジカル レビュー レターズ(PHYSICAL REVIEW LETTERS)」，Vol.88,No.15(2002),pp.157203-1〜157203-4
【非特許文献４】
「ジャーナル オブ アプライド フィジックス(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS)」，Vol.92,No.12(2002),pp.7397-7403
【非特許文献５】
「ジャーナル オブ アプライド フィジックス(JOURNAL OF APPLIED PHYSICS)」，Vol.92,No.3(2002),pp.1466-1472
【００１２】
【解決すべき課題】
こうしたＭＲＡＭの用途的な広がりを考える上で、最も支障となるのは、セル面積の問題であろう。特に、ＤＲＡＭとの混載を考えても、ＤＲＡＭに比べＭＲＡＭのセル面積は数倍にも及び、同じデザインルールが採用できないという問題が想定される。
【００１３】
少なくとも、現行のＭＲＡＭは、原理的に、書き込みに誘導磁界を用いるため、書き込み電流の低減が難しい上、他の誘導磁界からの影響を回避するために、配線幅や周辺回路面積を小さくしづらい。そこで、小さい書き込み電流でも安定して磁化の制御をできる素子が求められている。
【００１４】
一方、セル面積の小型化を目指してナノスケール強磁性体を採用した場合、その磁化の状態は、vortex構造をとることが予想されるが、その際の磁化の向きは、制御することが極めて難しく、過渡状態において発生する磁化分布の歪みの状況如何によって、時計回りとなることも反時計回りとなりうる。
【００１５】
これでは、磁化の向きを制御できないことから、例えば、磁気抵抗効果を利用して、抵抗値の高低から、磁化の状態を読み出すことができない。したがって、このスケールのセルを採用した場合、メモリとしては利用できないことになる。
【００１６】
こうしてみてくると、ＭＲＡＭの実用には、セル面積のナノスケール化が不可欠であるが、その場合、通常の磁化方式では、セルの磁化状態、すなわち、磁化の回転方向を制御できないという問題がある。したがって、現行方式のＭＲＡＭは、ＳＲＡＭやフラッシュＥＥＰＲＯＭとの代替は可能であるとしても、ＤＲＡＭとの混載には不向きであり、更にＤＲＡＭに取って代わることは難しい。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述の技術的課題を解決し、ＤＲＡＭとの混載やＤＲＡＭに代わる主記憶として利用可能な磁気記憶素子を提供するものであって、次の技術的事項からなる。
【００１８】
本発明（１）は、平板状の強磁性体からなり、その平面部形状は、線対称軸を有するとともに該線対称軸と垂直な方向に対しては非対称であって、平行外部磁界の消滅時に環状単磁区構造を示すことを特徴とする、微小磁性体である。
本発明（２）は、強磁性材料からなり、オンオフ及び反転制御可能な平行外部磁界に対して、平行な平面部を備え、
該平面部形状が、前記平行外部磁界に対して非対称であるとともに前記平行外部磁界と垂直な方向に対しては左右対称となる線対称軸を有するものであって、
前記平行外部磁界を印加した後に消去した時に環状単磁区構造を示すことを特徴とする、微小磁性体。
本発明（３）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な切欠を外周部に設けたものであって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１）又は本発明（２）の何れか1発明の微小磁性体。
本発明（４）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状であって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１）又は本発明（２）の何れか1発明の微小磁性体。
本発明（５）は、前記平面部形状は、最大幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする本発明（１）〜（４）の何れか1発明の微小磁性体。
本発明（６）は、非強磁性体基板上に、少なくとも１つ以上の強磁性領域層を備えるとともに、該強磁性領域層に対してオンオフ及び反転制御可能な平行磁界を印加しうる外部磁界発生手段を備え、
前記強磁性領域層の平面形状は、前記外部磁界発生手段の平行磁界に対して、左右非対称であるとともに、該平行磁界と垂直な方向に対しては左右対称となる線対称軸を有するものであって、
前記外部磁界発生手段により、外部磁界を印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を環状単磁区構造とするとともに、前記外部磁界を反転して印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を逆方向の磁化方向を有する環状単磁区構造となることを特徴とする、磁気記録素子。
本発明（７）は、非強磁性体基板上に、少なくとも１つ以上の強磁性領域層を備えるとともに、該強磁性領域層に対してオンオフ及び反転制御可能な平行磁界を印加しうる外部磁界発生手段を備え、
前記強磁性領域層の平面形状は、前記外部磁界発生手段の平行磁界に対して、左右非対称であるとともに、該平行磁界と垂直な方向に対しては左右対称となる線対称軸を有するものであって、
前記外部磁界発生手段により印加する磁界の向きが、前記強磁性体領域総の左右非対称軸とは平行でない場合には、前記強磁性体領域層の環状単磁区構造が磁界消滅後に変化しないことを特徴とする、磁気記録素子。
本発明（８）は、前記強磁性領域層は、非磁性層を挟んで上下方向に積層構造をなすとともに、少なくとも上下何れか一方の強磁性領域層を他方の強磁性体領域層よりアスペクト比を大きく形成することにより、アスペクト比が小さい強磁性体領域の磁化方向をアスペクト比の大きい強磁性体領域の磁化方向に対して独立して制御可能に構成し、前記強磁性領域層間の抵抗値に基づいて、前記強磁性領域層における磁化の方向を検出することを特徴とする、本発明（６）又は（７）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（９）は、前記アスペクト比は、同一平面形状の強磁性領域層の厚さの違いによるものであることを特徴とする、本発明（８）の磁気記録素子。
本発明（１０）は、前記アスペクト比は、強磁性領域総の平面部面積の違いによるものであることを特徴とする、本発明（８）の磁気記録素子。
本発明（１１）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な切欠を外周部に設けたものであって、
前記平行外部磁界印加時に、前記強磁性領域層の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（６）〜（１０）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（１２）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状であって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（６）〜（１０）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（１３）は、前記平面部形状は、最大部幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする、本発明（６）〜（１２）の何れか1発明の磁気記録素子。
本発明（１４）は、前記強磁性領域層の上下には、それぞれ書き込み用ビット線と書き込み用ワード線がさらに配線されており、これら配線に通電することにより生じる合成誘導磁界が前記平行外部磁界として作用するように、前記強磁性領域層の線対称軸が配置されていることを特徴とする、本発明（６）〜（１４）の何れか1発明の磁気記録素子。
本発明（１５）は、前記強磁性体領域層を各強磁性体領域層の平面部が平行かつ各強磁性体領域層間に非磁性層が介在するように垂直方向に複数積層するとともに、各平面部の線対称軸の方位が相互に位相差をもって垂直方向に配置され、書き込みビット線及び書き込み用ワード線から生じる合成誘導磁界の向きにより、最下層及び／又は最上層の強磁性体領域層を除く何れか１つ以上の中間の各強磁性体領域層の磁化方向を独立して制御可能としたことを特徴とする、本発明（６）〜（１４）の何れか１発明の磁気記録素子。
本発明（１６）は、本発明（１４）又は（１５）の何れか1発明の磁気記録素子を前記非強磁性体基板上に複数配置し、各磁気記録素子を独立して選択可能としたことを特徴とする、磁気ランダムアクセスメモリー。
本発明（１７）は、前記非強磁性体基板上に複数配置された前記磁気記録素子は、隣接する磁気記録素子の同一高さの強磁性体領域層の平面部線対称軸同士が同一方位とならないように配置されていることを特徴とする、本発明（１６）の磁気ランダムアクセスメモリー。
本発明（１８）は、平板状の強磁性体であって、その平面部形状が線対称軸を有するとともにその線対称軸と垂直な方向には非対称である微小磁性体を、平行外部磁界が印加可能な領域内に、前記線対称軸を該平行外部磁界の印加方向に対して垂直になるように配置する工程、
前記微小磁性体に対して前記平行外部磁界を印加する外部磁界形成手段を配置する工程、
を少なくとも含むことを特徴とする、環状単磁区構造の微小磁性体を製造する方法。
本発明（１９）は、前記平行外部磁界形成手段とは、印加する磁界の向きを反転可能であるとともにオンオフ可能であることを特徴とする、本発明（１８）の環状単磁区構造の微小磁性体を製造する方法。
本発明（２０）は、前記微小磁性体は、スパッタ法、電子線ビーム蒸着法、分子線エピタキシー法のうち何れか一種又はその組合せにより、パターニングされることを特徴とする、本発明（１８）又は（１９）の何れか１発明の環状単磁区構造の微小磁性体を製造する方法。
本発明（２１）は、非磁性体基板上に、少なくとも書き込み用ワード線を描画する工程と、磁気抵抗効果素子を描画する工程と、書き込み用ビット線を描画する工程とを少なくとも含む微小磁気記録素子の製造方法において、
前記磁気抵抗効果素子を描画する工程は、
平板状の強磁性体であって、その平面部形状が線対称軸を有するとともにその線対称軸と垂直な方向には非対称である第１微小磁性体を、前記書き込み用ワード線と書き込み用ビット線に通電することによって生じる合成誘導磁界の向きに対して前記線対称軸が垂直になるように配置する工程と、
前記平板状の強磁性体の上面を覆うように、非磁性層堆積する工程と、
前記第１微小磁性体の垂直上方の前記非磁性層上に、前記第１微小磁性体と同材質かつアスペクト比の異なる形状の第２微小磁性体を、界面が平行になるよう配置する工程とを少なくとも含み、
前記合成誘導磁界の制御により、少なくともアスペクト比の小さい微小磁性体の誘導磁界消滅時の磁化方向を制御可能とした、環状単磁区構造の微小磁性体からなる磁気記録素子の製造方法。
本発明（２２）は、前記アスペクト比は、同一平面形状の強磁性領域層の厚さの違いによるものであることを特徴とする、本発明（２１）の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２３）は、前記アスペクト比は、強磁性領域総の平面部面積の違いによるものであることを特徴とする、本発明（２１）の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２４）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な切欠を外周部に設けたものであって、
前記平行外部磁界印加時に、前記強磁性領域層の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１８）〜（２３）の何れか１発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２５）は、前記平面部形状は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状であって、
前記平行外部磁界印加時に、前記磁性材料の周端部における磁化の方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示すものであることを特徴とする、本発明（１８）〜（２３）の何れか１発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２６）は、前記平面部形状は、最大部幅が１０ｎｍ以下であることを特徴とする、本発明（１８）〜（２５）の何れか1発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２７）は、前記強磁性領域層の上下には、それぞれ書き込み用ビット線と書き込み用ワード線がさらに配線されており、これら配線に通電することにより生じる合成誘導磁界が前記平行外部磁界として作用するように、前記強磁性領域層の線対称軸が配置されていることを特徴とする、本発明（１８）〜（２６）の何れか1発明の磁気記録素子。
本発明（２８）は、前記強磁性体領域層を各強磁性体領域層の平面部が平行かつ各強磁性体領域層間に非磁性層が介在するように垂直方向に複数積層するとともに、各平面部の線対称軸の方位が相互に位相差をもって垂直方向に配置し、書き込みビット線及び書き込み用ワード線から生じる合成誘導磁界の向きにより、最下層及び／又は最上層の強磁性体領域層を除く何れか１つ以上の中間の各強磁性体領域層の磁化方向を独立して制御可能としたことを特徴とする、本発明（１８）〜（２７）の何れか１発明の磁気記録素子の製造方法。
本発明（２９）は、本発明（２７）又は（２８）の何れか1発明の磁気記録素子の製造方法を用いて、前記非強磁性体基板上に該磁気記録素子を複数配置し、各磁気記録素子を独立して選択可能としたことを特徴とする、磁気ランダムアクセスメモリーの製造方法。
本発明（３０）は、前記非強磁性体基板上に複数配置された前記磁気記録素子は、隣接する磁気記録素子の同一高さの強磁性体領域層の平面部線対称軸同士が同一方位とならないように配置したことを特徴とする、本発明（２９）の磁気ランダムアクセスメモリーの製造方法。
ここで、局所領域における磁化の方向（分極の方向）は、強磁性体領域の形状異方性の効果により、外部磁界の下にあっても、必ずしも、外部磁界と平行になる訳ではなく、強磁性体領域の外縁形状に沿った、磁化方位分布の不連続が生じる。この磁化方位分布における不連続がきっかけとなって、外部磁界が取り去られた時に、局所的なＣ型のvortex構造が強磁性体領域に導入され、強磁性体領域全体に伝播して、vortex構造の環状単磁区構造が生じるものと考えられる。
【００１９】
【実施の形態】
図１に、本発明で採用した強磁性体の平面部形状の一例を示す。この平面部形状は、円形から、一部を切り欠く又は一部に張り出しを設けた形状で、外部磁界の方向に対して左右非対称で、その垂直方向に対しては、左右対称となる形状であることを基本とする。
【００２０】
図１では、直径（Ｄ）1μｍの円に対し、この円の直径Ｄを長辺としてその０．２５×Ｄの短辺とする長方形を、その長辺が円の中心を通るように重ね合わせた場合の投影形状を平面形状に採用したものである。また、その厚さは50ｎｍとした。なお、本発明は、この図１の形状に限定されるものではない。
【００２１】
【実施例１】
この図１に示される強磁性体に対し、1000Ｏｅの外部磁界を印加した場合のシミュレーションした際の磁化の方向の様子を図２に示す。この例では、外部磁界の印加方向と前記長方形の長辺とを平行に配置し、外部磁界に対しては非対称にかつ外部磁界と垂直方向には左右対称とした。
【００２２】
まず、1000Ｏｅの外部磁界を図中左から右方向に印加した場合の磁化の様子を右側の四角に示す。外部磁界が強磁性体内を貫通することにより、強磁性体内の磁化も外部磁界と概ね平行となった。ここで、円の外周から張り出した長方形部分の磁化の向きが、外部磁界とは完全には平行とならず、強磁性体の外周部における磁化の向きの変化に不連続が生じていることが判明した。端面効果によるものと考えられる。
【００２３】
次に、この状態から外部磁界を取り去った際の磁化の様子を、図中中央上側の四角に示す。その結果、時計周りのvortex構造となった閉じた単磁区が形成された。
【００２４】
また、このvortex構造となった試料に対し、反対向きに1000Ｏｅの外部磁界を印加した場合の様子を、図中左側の四角に示す。外部磁界と平行に矢印の方向（磁化の向き）が概ね左向きに揃っていることが観察される。
【００２５】
そして、この左向きに揃った状態から、外部磁界を取り去る（０Ｏｅとする）と、今度は、図中中央下側の四角に示されるとおり、半時計周りの磁化が観察された。
【００２６】
更に、この半時計巻きとなった磁性体に対し、また、右向き又は左向きの外部磁界を印加した場合も、同様に外部磁界と同じ向きに磁化することができ、再現性があることが示された。同様に、図中中央の上側の状態からも外部磁界の印加する向きによって、自由に磁化の向きを一方に揃えることができた。
【００２７】
この結果よりみて、外部磁界の磁場の方向を切り替えることで、自由に強磁性体領域内の磁化の方向分布、特に、vortex構造における回転方向を制御できることが確認できた。しかも、この磁化の向きの制御は可逆的で、かつ際限なく繰り返すことができることを確認した。
【００２８】
実施例を比較して、前述の磁化の向きの変化における不連続となっている箇所の磁化の向きに沿って、渦を巻くことが判明した。この磁化の向きにおける不連続は、外部磁界に対する形状異方性に伴う端面効果により生じたものであって、この外部磁界の方向に対して左右対称とならない磁化成分が、外部磁界を取り除いた際に残留し、この局所的な磁化の歪が引き金となって、磁性体全体に広がり渦巻き方向を決定しているもと考えられる。
【００２９】
【実施例２】
図３は、本発明にかかる微小磁性体を用いて、磁気記録素子を構成する場合の原理を説明するための図である。本発明の磁性体を、薄い非磁性層（２）を挟んで上下２層に配置したものを複数平面的に配置した。下側の磁性体の層厚を大きくして固定層（３）として、上側の薄い磁性層をフリー層（１）としたものである。
【００３０】
ここで、両強磁性体の磁化の向きが共通である場合には、両強磁性体層間の抵抗値が小さく、磁化の向きが反対である場合には、抵抗値が大きくなることが、磁気抵抗効果として知られている。したがって、本発明は、フリー層のvortex磁界の向きを外部磁界により制御することにより書き込みを行い、磁気抵抗効果を利用して、その磁化の向きを判定することにより読み出しを行う、磁気記録素子である。
【００３１】
ここで、vortex磁界の形状依存性について、測定した結果を図４および図５に示す。図４には直径１ミクロンの強磁性体の厚みを種々に変化させて、ｖｏｒｔｅｘ磁界の消滅する外部磁場の大きさを測定した結果である。一方、図５は、厚み５０ｎｍの強磁性体の直径を種々に変化させて、同様にvortex磁界の消滅する外部磁場の大きさを測定した結果である。
【００３２】
これらの結果からみて、非磁性層を挟む両強磁性体の形状におけるアスペクト比を異ならせることにより、vortex磁場の消滅磁界に差を付けることが可能であることが判る。したがって、強磁性体形状におけるアスペクト比大きい方を磁化方向が固定した固定層とし、他方をフリー層の磁化方位を、両強磁性体のvortex消滅磁場の間の磁界を印加することにより制御するものである。これにより、本発明では、片方の磁化の向きを固定する為のピン層が必要なくなる。
【００３３】
【実施例３】
本発明にかかる微小磁性体に対し、磁性体の左右対称軸と垂直な方向を、書き込み用ビット線と書き込み用ワード線（ｗｗ１、ｗｗ２）が発生する合成磁界の向きと平行に配置し、磁気ランダムアクセスメモリーを構成した。その素子断面図を図６に示す。読み出しビット線並びに読み出し用のワード線（ｒｗ１、ｒｗ２）も別途敷設した。これらの読み出し用線の電流量は、書き込み用線に比べ小さいので、磁気抵抗効果素子における磁化の方向に影響しない。
【００３４】
ここで、書き込み用ビット線と書き込み用法ワード線（ｗｗ１、ｗｗ２）が交差する点のセル以外のセルでは、誘導磁界との合成が発生しないため、誘導磁場がフリー層のvortex消滅磁場を越えないように、書き込み用ワード線と書き込み用ビット線の電流量が設定してある。
【００３５】
磁気抵抗効果素子の上下の強磁性層における磁化の方向が同じ場合は、両強磁性層間の抵抗値は小さくなり、逆に反対向きの場合には、抵抗値は大きくなることから、読み出し用のビット線及び読み出し用のワード線により、所望のセルを選択しトンネル電流の大きさを検出すれば、当該セルのフリー層（１）の磁化の向きを読み出すことができる。
【００３６】
なお、図７のように隣接するセル間相互で、フリー層（１）の線対称軸方位を相違するように配置すれば、隣接するセルを選択した場合の誘導磁界の影響を受けにくくなることから、セル分離の問題が緩和され、セル配置の一層の高密度化が可能になる。
【００３７】
【実施例４】
図８には、１つのセルに多値を記録するためのセル構成の概略を示す。強磁性体領域を垂直方向に多層配置することを基本とする。まず、固定層（fx１、fx２）は、フリー層（fr１〜fr４）と同じ平面形状としないように構成した。これにより、アスペクト比を大きく取ることができるようになるとともに、形状異方性によるフリー層周辺部における磁化方位の乱れによる磁気抵抗への影響を最小限に留めることができる。
【００３８】
層間にトンネルバリア層（ｔｂ１〜ｔｂ５）を介挿しつつ、各フリー層（fr１〜fr４）の平面部線対称軸を、９０度ずつ位相をずらして垂直方向に積層配置した。なお、各フリー層間の位相差は９０度に限定されるものではないが、書き込み用ワード線及び書き込み用ビット線の配線のレイアウトを考慮すると、９０度の場合に多層化が用意となる。
【００３９】
そして、書き込み用ワード線及び書き込み用ビット線に、一つのフリー層の線対称軸と垂直方向の磁場がvortex消滅磁場以上となり、かつ他のフリー層の線対称軸と垂直方向の磁場成分がフリー層のvortex消滅磁場以下及び固定相のvortex消滅磁場以下となる強度の誘導磁場が発生するような大きさの電流を印加することにより、所望のフリー層の磁化方位のみを制御できる。
【００４０】
但し、読み出しは、固定層（ｒｂ１、ｒｂ２）間の抵抗値を検出することになるため、この実施例でも、１セル当たり２の４（フリー層数）乗分の情報量は記録できない。しかしながら、フリー層１層の場合に０，１の２値しかないのに比べ、１セルで３値を記憶できる上、その値も０，２，４の強度になることから、Ｓ／Ｎ比大きく取れ、セルを小型化しても、十分な大きさの抵抗値変化が期待できる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明により、ナノスケールの微小磁性体にあっても、そのvortex構造における磁化の向きを制御可能になった。これによって、更なるセル面積の小型化が可能となったため、ＤＲＡＭとの混載やＤＲＡＭとの代替についても技術的な目処がたった。
【００４２】
さらに、本発明の磁性体の場合、その形状異方性があることから、各磁気抵抗効果素子の形状異方性の対称軸を、位相をずらして垂直方向に配置すれば、他の層の書き込み用ワード線から印加される誘導磁界の影響を小さく抑えることができることから、多層配置も可能となり、更なる高集積化も期待される。また、本発明では、片方の磁化の向きを固定する為のピン層が必要なくなることから、ＭＲＡＭ等のデバイス製造のプロセスが簡略化し、集積密度に比して製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明にかかる微小磁性体の平面部形状についての説明図
【図２】 本発明にかかる微小磁性体における、外部磁界に対する磁化履歴を示す図
【図３】 本発明にかかる微小磁性体を磁気記録方式についての説明図
【図４】 ボルテックス消滅磁場における磁性体厚依存性を示す図
【図５】 ボルテックス消滅磁場における磁性体径依存性を示す図
【図６】 本発明にかかる微小磁性体を用いてＭＲＡＭを構成した場合の素子断面図
【図７】 本発明にかかる微小磁性体を用いてＭＲＡＭを構成した場合、セル配置の一態様を示す図
【図８】 本発明にかかる多値記録素子とした場合の素子構造を示す図
【符号の説明】
Ｄ 平面部直径
１ フリー層
２ 非磁性層
３ 固定層
ｗｗ 書き込み用ワード線
ｗｂ 書き込み用ビット線
ｒｗ 読み出し用ワード線
ｒｂ 読み出し用ビット線
ｃ セル
ｆｒ フリー層
ｔｂ トンネルバリア層
ｆｘ 固定層
Claims (27)
- 強磁性材料からなり、オンオフ及び反転制御可能な平行外部磁界に対して、平行な平面部を備え、
前記強磁性材料の平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の張出しを外周部に設けたもの（但し、該張出しが相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、前記平行外部磁界の印加時に、前記強磁性材料の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状である、
前記平行外部磁界を印加した後に消去した時に環状単磁区構造を示す磁気記録素子用微小磁性体。 - 強磁性材料からなり、オンオフ及び反転制御可能な平行外部磁界に対して、平行な平面部を備え、
前記強磁性材料の平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の切欠を外周部に設けたもの（但し、該切欠が相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、前記平行外部磁界の印加時に、前記強磁性材料の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状である、
前記平行外部磁界を印加した後に消去した時に環状単磁区構造を示す磁気記録素子用微小磁性体。 - 前記平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状である、請求項１記載の磁気記録素子用微小磁性体。
- 非磁性体基板上に、平面部を有する少なくとも１つ以上の強磁性領域層を備えるとともに、該強磁性領域層の平面部に対してオンオフ及び反転制御可能な平行磁界を印加しうる外部磁界発生手段を備え、
前記強磁性領域層の平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の張出しを外周部に設けたもの（但し、該張出しが相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、前記外部磁界発生手段によって平行磁界が印加された時に、前記強磁性領域層の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状であり、
前記外部磁界発生手段により、外部磁界を印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を環状単磁区構造とするとともに、前記外部磁界を反転して印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を逆方向の磁化方向を有する環状単磁区構造とする、磁気記録素子。 - 非磁性体基板上に、平面部を有する少なくとも１つ以上の強磁性領域層を備えるとともに、該強磁性領域層の平面部に対してオンオフ及び反転制御可能な平行磁界を印加しうる外部磁界発生手段を備え、
前記強磁性領域層の平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の切欠を外周部に設けたもの（但し、該切欠が相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、前記外部磁界発生手段によって平行磁界が印加された時に、前記強磁性領域層の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状であり、
前記外部磁界発生手段により、外部磁界を印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を環状単磁区構造とするとともに、前記外部磁界を反転して印加した後に該外部磁界を消滅させることにより、前記強磁性領域層を逆方向の磁化方向を有する環状単磁区構造とする、磁気記録素子。 - 前記平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状である、請求項４記載の磁気記録素子。
- 前記強磁性領域層は、非磁性層を挟んで上下方向に積層構造をなすとともに、少なくとも上下何れか一方の強磁性領域層を他方の強磁性領域層よりアスペクト比を大きく形成することにより、アスペクト比が小さい強磁性領域層の磁化方向をアスペクト比の大きい強磁性領域層の磁化方向に対して独立して制御可能に構成し、前記強磁性領域層間の抵抗値に基づいて、前記強磁性領域層における磁化の方向を検出することを特徴とする、請求項４〜６の何れか１項記載の磁気記録素子。
- 前記アスペクト比は、同一平面形状の強磁性領域層の厚さの違いによるものであることを特徴とする、請求項７記載の磁気記録素子。
- 前記アスペクト比は、強磁性領域層の平面部の最大径の違いによるものであることを特徴とする、請求項７記載の磁気記録素子。
- 前記強磁性領域層の上下には、それぞれ書き込み用ビット線と書き込み用ワード線がさらに配線されており、これら配線に通電することにより生じる合成誘導磁界が前記外部磁界発生手段によって印加された平行磁界として作用するように、前記強磁性領域層の線対称軸が配置されていることを特徴とする、請求項４〜９の何れか1項記載の磁気記録素子。
- 前記強磁性領域層を各強磁性領域層の平面部が平行かつ各強磁性領域層間に非磁性層が介在するように垂直方向に複数積層するとともに、各平面部の線対称軸の方位が相互に位相差をもって垂直方向に配置され、書き込みビット線及び書き込み用ワード線から生じる合成誘導磁界の向きにより、最下層及び最上層の強磁性領域層を除く何れか１つ以上の中間の強磁性領域層の磁化方向を独立して制御可能としたことを特徴とする、請求項４〜１０の何れか１項記載の磁気記録素子。
- 請求項１０又は１１の何れか1項記載の磁気記録素子を前記非磁性体基板上に複数配置し、各磁気記録素子を独立して選択可能としたことを特徴とする、磁気ランダムアクセスメモリー。
- 前記非磁性体基板上に複数配置された前記磁気記録素子は、隣接する磁気記録素子の同一高さの強磁性領域層の平面部における線対称軸同士が同一方位とならないように配置されていることを特徴とする、請求項１２記載の磁気ランダムアクセスメモリー。
- 平板状の強磁性体であって、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の張出しを外周部に設けたもの（但し、該張出しが相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、平行外部磁界の印加時に、前記強磁性体の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状の平面部を有する、微小磁性体を、平行外部磁界が印加可能な領域内に、前記左右対称にかかる線対称軸を該平行外部磁界の印加方向に対して垂直になるように配置する工程、及び
前記微小磁性体の平面部に対して前記平行外部磁界を印加できるように外部磁界形成手段を配置する工程
を少なくとも含むことを特徴とする、環状単磁区構造の磁気記録素子用微小磁性体を製造する方法。 - 平板状の強磁性体であって、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の切欠を外周部に設けたもの（但し、該切欠が相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、平行外部磁界の印加時に、前記強磁性体の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状の平面部を有する、微小磁性体を、平行外部磁界が印加可能な領域内に、前記左右対称にかかる線対称軸を該平行外部磁界の印加方向に対して垂直になるように配置する工程、及び
前記微小磁性体の平面部に対して前記平行外部磁界を印加できるように外部磁界形成手段を配置する工程
を少なくとも含むことを特徴とする、環状単磁区構造の磁気記録素子用微小磁性体を製造する方法。 - 前記平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状である、請求項１４記載の磁気記録素子用微小磁性体を製造する方法。
- 前記平行外部磁界形成手段とは、印加する磁界の向きを反転可能であるとともにオンオフ可能であることを特徴とする、請求項１４〜１６の何れか1項記載の磁気記録素子用微小磁性体を製造する方法。
- 前記微小磁性体は、スパッタ法、電子線ビーム蒸着法、分子線エピタキシー法のうち何れか一種又はその組合せにより、パターニングされることを特徴とする、請求項１４〜１７の何れか１項記載の磁気記録素子用微小磁性体を製造する方法。
- 非磁性体基板上に、少なくとも書き込み用ワード線を描画する工程と、磁気抵抗効果素子を描画する工程と、書き込み用ビット線を描画する工程とを少なくとも含む微小磁気記録素子の製造方法において、
前記磁気抵抗効果素子を描画する工程は、
平板状の強磁性体であって、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の張出しを外周部に設けたもの（但し、該張出しが相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、平行外部磁界の印加時に、前記強磁性体の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状の平面部を有する、第１微小磁性体を、前記書き込み用ワード線と書き込み用ビット線に通電することによって生じる合成誘導磁界の向きに対して前記左右対称にかかる線対称軸が垂直になるように配置する工程と、
前記平板状の強磁性体の上面を覆うように、非磁性層を堆積する工程と、
前記第１微小磁性体の垂直上方の前記非磁性層上に、前記第１微小磁性体と同材質かつアスペクト比の異なり、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の張出しを外周部に設けたもの（但し、該張出しが相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、平行外部磁界の印加時に、前記強磁性体の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状の平面部を有する、第２微小磁性体を、前記書き込み用ワード線と書き込み用ビット線に通電することによって生じる合成誘導磁界の向きに対して前記左右対称にかかる線対称軸が垂直になるとともに、界面が平行になるよう配置する工程とを少なくとも含み、
前記合成誘導磁界の制御により、少なくともアスペクト比の小さい微小磁性体の誘導磁界消滅時の磁化方向を制御可能とした、環状単磁区構造の微小磁性体からなる磁気記録素子の製造方法。 - 非磁性体基板上に、少なくとも書き込み用ワード線を描画する工程と、磁気抵抗効果素子を描画する工程と、書き込み用ビット線を描画する工程とを少なくとも含む微小磁気記録素子の製造方法において、
前記磁気抵抗効果素子を描画する工程は、
平板状の強磁性体であって、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の切欠を外周部に設けたもの（但し、該切欠が相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、平行外部磁界の印加時に、前記強磁性体の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状の平面部を有する、第１微小磁性体を、前記書き込み用ワード線と書き込み用ビット線に通電することによって生じる合成誘導磁界の向きに対して前記左右対称にかかる線対称軸が垂直になるように配置する工程と、
前記平板状の強磁性体の上面を覆うように、非磁性層を堆積する工程と、
前記第１微小磁性体の垂直上方の前記非磁性層上に、前記第１微小磁性体と同材質かつアスペクト比の異なり、相互に垂直な２つの線対称軸を有する平面形状に対し、一方の線対称軸に左右対称でかつ他方の線対称軸に左右非対称な径方向の切欠を外周部に設けたもの（但し、該切欠が相互に弧を挟んで分離されていない場合を除く。）であって、平行外部磁界の印加時に、前記強磁性体の周端部における磁束方位が、不連続に変化する箇所を含む周方向分布を示す形状の平面部を有する、第２微小磁性体を、前記書き込み用ワード線と書き込み用ビット線に通電することによって生じる合成誘導磁界の向きに対して前記左右対称にかかる線対称軸が垂直になるとともに、界面が平行になるよう配置する工程とを少なくとも含み、
前記合成誘導磁界の制御により、少なくともアスペクト比の小さい微小磁性体の誘導磁界消滅時の磁化方向を制御可能とした、環状単磁区構造の微小磁性体からなる磁気記録素子の製造方法。 - 前記第１微小磁性体及び前記第２微小磁性体の平面部は、相互に垂直な２つの線対称軸を有する形状と、一方の線対称軸を長辺とし他方の線対称軸の半分未満の長さを短辺とする長方形とを、投影した場合の外縁の形状である、請求項１９記載の磁気記録素子の製造方法。
- 前記アスペクト比は、同一平面形状の強磁性領域層の厚さの違いによるものであることを特徴とする、請求項１９〜２１の何れか１項記載の磁気記録素子の製造方法。
- 前記アスペクト比は、強磁性領域層の平面部の最大径の違いによるものであることを特徴とする、請求項１９〜２１の何れか１項記載の磁気記録素子の製造方法。
- 前記磁気抵抗効果素子の上下には、それぞれ書き込み用ビット線と書き込み用ワード線がさらに配線されており、これら配線に通電することにより生じる合成誘導磁界が前記平行外部磁界として作用するように、前記アスペクト比の小さい微小磁性体の左右対称にかかる線対称軸が配置されていることを特徴とする、請求項１９〜２３の何れか１項記載の磁気記録素子の製造方法。
- 前記アスペクト比が小さい微小磁性体を各微小磁性体の平面部が平行かつ各微小磁性体間に非磁性層が介在するように垂直方向に複数積層するとともに、各平面部の線対称軸の方位が相互に位相差をもって垂直方向に配置し、書き込みビット線及び書き込み用ワード線から生じる合成誘導磁界の向きにより、アスペクト比が大きい微小磁性体によって構成される最下層及び最上層の微小磁性体を除く、何れか１つ以上の中間の各微小磁性体の磁化方向を独立して制御可能としたことを特徴とする、請求項１９〜２４の何れか１項記載の磁気記録素子の製造方法。
- 請求項２４又は２５の何れか１項記載の磁気記録素子の製造方法を用いて、前記非磁性体基板上に該磁気記録素子を複数配置し、各磁気記録素子を独立して選択可能としたことを特徴とする、磁気ランダムアクセスメモリーの製造方法。
- 前記非磁性体基板上に複数配置された前記磁気記録素子は、隣接する磁気記録素子の同一高さの強磁性体領域層の平面部の線対称軸同士が同一方位とならないように配置したことを特徴とする、請求項２６記載の磁気ランダムアクセスメモリーの製造方法。
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