JP5191717B2 - 磁気記録素子とその製造方法及び磁気メモリ - Google Patents

Description

本発明は、磁気記録素子及び磁気メモリに関し、特にスピン偏極された電子（spin-polarized electrons）を磁化反転（magnetization reversal）に利用する磁気記録素子及び磁気メモリに関する。

近年、電子のスピン自由度を利用したスピンエレクトロニクスデバイスの研究開発が盛んに行われている。例えば、ハードディスクドライブでは、磁気ヘッドからの磁場により記録媒体の磁化状態を制御し、磁気ランダムアクセスメモリでは、２本の書き込み線からの合成磁場により磁気抵抗効果素子の磁化状態を制御する。このような磁場による磁化状態の制御方法に関しては、古い歴史があり、現在では、既に確立された技術となっている。

一方、昨今のナノテクノロジーの進歩により、記録媒体の記録単位及び磁気抵抗効果素子の微細化が進行し、これらの磁化状態の制御もナノスケールで局所的に行なう必要性が出てきた。
しかし、磁場は空間に広がる性質を持つため、局所化が難しい。このため、書き込み対象以外の記録単位や磁気抵抗効果素子に磁場の影響が及んで誤書き込みを起こすいわゆる「クロストーク」の問題が発生する。また、磁場の発生源を小さくして磁場の局所化を図ろうとすると、磁化反転に必要な大きさの磁場が得られない。

そこで、このような問題が発生しない「電流直接駆動型磁化反転方法」が注目されるようになった（例えば、非特許文献１参照）。これは、磁気抵抗効果素子に書き込み電流としてのスピン注入電流を流し、そこで発生するスピン偏極された電子を用いて磁化反転を実行する技術である。具体的には、スピン偏極された電子の角運動量が、磁気記録層に含まれる磁性体に伝達されることにより磁気記録層の磁化が反転する。

このような電流直接駆動による磁化反転技術（スピン注入磁化反転技術）を用いれば、磁化状態をナノスケールで局所的に制御し易く、かつ、微細化に応じてスピン注入電流の値も小さくできるため、高記録密度のハードディスクや磁気ランダムアクセスメモリなどのスピンエレクトロニクスデバイスの実現に向けての手助けとなる。

電流直接駆動による磁化反転のための電流密度を低減させる方法として、磁性記録層の上下に非磁性の中間層を介在させ、互いに逆方向の磁化を向いた磁性固着層で挟んだ構造の磁気記録素子が提案されている（特許文献１）。
特開２００４−１９３５９５号公報 F. J. Albert, et al., Appl. Phy. Lett. 77, 3809 (2000)

本発明は、製造が容易で動作安定性に優れた磁気記録素子とその製造方法及び磁気メモリを提供する。

本発明の一態様によれば、膜面に対して略垂直な第１の方向に磁化が固着された第１の磁性層と、膜面に対して略垂直で前記第１の方向とは反対の第２の方向に磁化が固着された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ磁化の方向が可変の第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有する積層体と、前記積層体の前記膜面に対して略垂直な方向に電流を通電可能とした一対の電極と、を備え、前記第１の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第２の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積よりも大きく、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともいずれかは、その内部よりも相対的に軟磁性の領域を側面に有し、前記第２の磁性層の保磁力は、前記第１の磁性層の保磁力よりも小さいことを特徴とする磁気記録素子が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有する積層体を形成する工程と、前記積層体をパターニングする際に、前記第１の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第２の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積よりも大きくし、前記第１の磁性層の側面に形成されその内部よりも相対的に軟磁性の領域の占める体積率と、前記第２の磁性層の側面に形成されその内部よりも相対的に軟磁性の領域の占める体積率と、が異なり、かつ、前記第２の磁性層の保持力を、前記第１の磁性層の保持力よりも小さくなるように前記積層体を加工する工程と、を備えたことを特徴とする磁気記録素子の製造方法が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有する積層体を形成する工程と、前記積層体をパターニングする工程と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともいずれかの側面に、その内部よりも相対的に軟磁性の領域を形成する工程と、を備え、前記第１の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第２の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積よりも大きくし、前記第２の磁性層の保持力を、前記第１の磁性層の保持力よりも小さくしたことを特徴とする磁気記録素子の製造方法が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、上記の磁気記録素子と、前記磁気記録素子に通電する前記電流を発生する電流源と、前記電流を前記磁気記録素子に導く電流経路と、を備えたことを特徴とする磁気記憶装置が提供される。

本発明によれば、製造が容易で動作安定性に優れた磁気記録素子とその製造方法及び磁気メモリを提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る磁気記録素子の断面構造を例示する模式図である。
本実施形態の磁気記録素子１０は、積層体Ｓと、この積層体Ｓの積層方向に電流を通電可能なように積層体Ｓを挟んで設けられた一対の電極５、５と、を備える。積層体Ｓは、例えば、磁性固着層Ｃ１（第１の磁性層）、中間層Ｂ１（第１の中間層）、磁性記録層Ａ（第３の磁性層）、中間層Ｂ２（第２の中間層）、磁性固着層Ｃ２（第２の磁性層）がこの順に積層された構造を有する。磁性固着層Ｃ１、Ｃ２は、互いに反対方向に磁化が固定された磁性層である。磁性記録層Ａは、その磁化が可変の磁性層である。中間層Ｂ１、Ｂ２は、例えば、非磁性材料からなる層である。
磁性記録層Ａの磁化容易軸方向は、膜面（膜の主面）に対して略垂直な方向とすることが望ましい。このような構造の磁性層は、「垂直磁化膜」などと呼ばれる。これに対し、磁化容易軸方向が膜面に対して略平行となる磁性層は、「面内磁化膜」あるいは「水平磁化膜」などと呼ばれる。

垂直磁化膜は、面内磁化膜よりも、微細化し易く、磁化反転のためのスピン注入電流の電流密度も小さい。磁性記録層Ａの磁化容易軸方向を膜面に対して垂直となる方向にするためには、磁性記録層Ａを構成する磁性材料の飽和磁化Ｍs（ｅｍｕ／ｃｃ）と異方性磁界Ｈan（Ｏｅ）との関係を、Ｈan＞１２．５７Ｍsに設定すればよい。なお、異方性磁界Ｈanは、膜面垂直方向の磁気異方性Ｋｕを用いて、Ｈan＝２Ｋｕ／Ｍsで与えられる。

積層体Ｓは、積層面に対しテーパー角をもって形成されている。そして、積層体Ｓの側壁には、セルに加工する際に生じたダメージ領域７が形成されている。
本実施形態によれば、積層体Ｓをテーパー状に形成することにより、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の積層面に対して垂直な方向の断面積を異ならせることができる。さらに、これら磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の側面にダメージ領域７を形成することにより、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力を異ならせることができる。具体的には、断面積の小さい磁性固着層Ｃ２の保磁力を、断面積の大きな磁性固着層Ｃ１の保磁力よりも小さくすることができる。これは、後に詳述するように、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の断面積が異なる場合に、これらの側面に形成したダメージ領域７が磁気特性に与える影響が、磁性固着層Ｃ１と磁性固着層Ｃ２とで異なるからである。

このように上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力を異ならせることができると、磁化を固着するプロセスにおいて、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を反対方向に固着することが容易となる。具体的には、例えば、磁場を印加する際に、まず第１の方向に強い磁場を印加して、保磁力の高い磁性固着層Ｃ１の磁化を固着する。しかる後に、第１の方向とは反対向きの第２の方向に弱い磁場を印加して、保磁力の低い磁性固着層Ｃ２の磁化を固着することができる。磁性固着層Ｃ１の保磁力は高いので、第２の方向に弱い磁場を印加しても、磁性固着層Ｃ１の磁化が第２の方向に反転することを防止できる。

従って、本実施形態によれば、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２に同一の磁性材料を用いた場合であっても、これら磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力に有意の差を設けることができる。その結果として、これら磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を反対向きに固着することが容易となり、容易に製造できる磁気記録素子を提供できる。

以下、まず本実施形態の磁気記録素子の動作について説明する。
図２は、本実施形態の磁気記録素子１０における「書込み」のメカニズムを説明するための模式図である。なお、図２以降の各図については、既出の図に関して説明したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。また、図２においては、説明の便宜上、積層体Ｓをテーパー状ではなく、積層面に対して略垂直な側面を有するものとして表した。
本具体例においては、磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１は向かって下向きに固着され、磁性固着層Ｃ２の磁化Ｍ２は向かって上向きに固着されている。２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の界面を横切るように電子電流Ｉを通電して、磁性記録層Ａに対し書込みを行う。

まず、図２（ａ）において、磁化Ｍ２を有する磁性固着層Ｃ２を通過した電子は、磁化Ｍ２の方向のスピンをもつようになり、これが磁性記録層Ａへ流れると、このスピンのもつ角運動量が磁性記録層Ａへ伝達され、磁化Ｍに作用する。一方、磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１は、磁化Ｍ２とは逆向きである。このため、電子の流れが磁性固着層Ｃ１へ入る界面においては、磁化Ｍ２と同方向のスピン（同図においては上向き）を有する電子は反射される。この反射された電子が有する逆向きスピンは、やはり磁性記録層Ａに作用する。すなわち、磁性固着層Ｃ２の磁化と同じ方向のスピン電子が、磁性記録層Ａに対して２回作用するため、実質的に２倍の書込み作用が得られる。その結果として、磁性記録層Ａに対する書込みを小さい電流で実施できる。

また、図２（ｂ）は、電子電流Ｉを反転させた場合を表す。この場合には、電流Ｉを構成する電子は、まず、磁性固着層Ｃ１の磁化Ｍ１の作用を受けて、この方向（同図において下向き）のスピンを有する。このスピン電子は、磁性記録層Ａにおいてその磁化Ｍに作用する。さらに、スピン電子は、それとは逆向きの磁化Ｍ２を有する磁性固着層Ｃ２との界面において反射され、もう１度磁性記録層Ａの磁化Ｍに作用する。このようにして、磁性記録層Ａに対する書き込みを小さい電流で実施できる。

再び図１に戻って、説明を続ける。
図１に例示した積層体Ｓを作製する時には、イオンミリングやＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などの方法によりパターニング加工を行うが、その加工に際して積層体Ｓの側壁はイオンやプラズマなどの照射によるダメージを受け、ダメージ領域７が形成される。ダメージ領域７においては、例えば、結晶欠陥が導入されたり、結晶性が低下したり、酸素やその他の不純物が導入されている。

磁性固着層Ｃ１、Ｃ２に用いられる磁気異方性の高い材料は、このようなダメージにより、磁気異方性が低下する。そして、その磁気特性が軟磁性材料に近づく。つまり、ダメージ領域７における磁気特性は、軟磁性材料に近づく。その結果として、後に詳述するように、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力が低下する。そして、磁性固着層Ｃ１と磁性固着層Ｃ２とでは、断面積が異なるために、ダメージ領域７の占める割合が異なる。

ここで、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の膜面（積層体Ｓの積層方向に対して略垂直な面）に対して平行な方向の断面積として、これら磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の膜厚の中間点８（膜厚の半分）における断面積を用いることとする。

磁性固着層Ｃ２の断面積は、磁性固着層Ｃ１の断面積よりも小さい。一方、側面から形成されるダメージ領域７の深さ（積層体Ｓの積層方向に対して略垂直な方向の深さ）は、これら磁性固着層Ｃ１、Ｃ２でほぼ同一である。つまり、磁性固着層Ｃ２においてダメージ領域７が占める割合は、磁性固着層Ｃ１においてダメージ領域７が占める割合よりも大きくなる。その結果として、磁性固着層Ｃ２の保磁力は、磁性固着層Ｃ１の保磁力よりも小さくなる。
つまり、積層体Ｓの側壁にテーパーを設け、磁性固着層Ｃ２の断面積を磁性固着層Ｃ１の断面積よりも小さくした状態で、ダメージ領域７を形成することにより、２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力の差を生じさせることができる。その結果として、前述したように、保磁力差を利用して磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の磁化を互いに逆方向に固着することができる。

磁性記録層および磁性固着層については、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒのグループから選択される１つ以上の元素と、Ｐｔ（白金）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｉｒ（イリジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｒｈ（ロジウム）のグループから選択される１つ以上の元素との組み合わせを少なくとも含んだ合金や人工格子膜にすると（たとえば、ＣｏＣｒ， ＣｏＣｒＴａ、ＦｅＰｔ、ＦｅＰｔＢ、Ｆｅ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、Ｃｏ／Ｐｔ）、磁性記録層の異方性磁界Ｈａｎの値が大きくなり、安定動作設定がし易くなる。

磁性記録層の異方性磁界Ｈanの値については、磁性記録層を構成する磁性材料の組成や、熱処理による結晶規則性などによっても調整できる。
また、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅＣｏなどの希土類−遷移金属のアモルファス合金や、Ｃｏ／Ｐｔの積層構造などにより構成してもよい。

磁性記録層及び磁性固着層を構成する磁性材料は、連続的な磁性体または非磁性体内に磁性体からなる微粒子がマトリクス状に析出した複合構造とすることができる。例えば、ＣｏＣｒ−ＳｉＯ_２、ＦｅＰｔ−ＡｌＯ_ｘ を挙げることができる。この場合、磁性微粒子の形状は、例えば、円柱形や球形である。

複合構造に関し、非磁性体を、Ａｌ_２Ｏ_３−ｘ、ＭｇＯ_１−ｘ、ＳｉＯ_ｘ、ＺｎＯ_ｘ、ＴｉＯ_ｘなどの酸化物系の高抵抗材料とする場合には、書き込み電流としてのスピン注入電流は、微粒子へ集中するため、低電流密度での磁化反転が可能となる。また、特に非磁性材料が非磁性バリア層と同じ材料を用いると、微粒子の結晶制御および磁気異方性制御が容易となる。
また、磁性固着層Ｃ１と中間層Ｂ１との間や、中間層Ｂ２と磁性固着層Ｃ２との間に、以下に列挙する材料からなる層を挿入してもよい。

次に、本発明の磁気記録素子を構成する各要素について詳述する。
まず、挿入層としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、または、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マンガン（Ｍｎ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む合金、「パーマロイ」と呼ばれるＮｉＦｅ系合金、あるいはＣｏＮｂＺｒ系合金、ＦｅＴａＣ系合金、ＣｏＴａＺｒ系合金、ＦｅＡｌＳｉ系合金、ＦｅＢ系合金、ＣｏＦｅＢ系合金などの軟磁性材料、ホイスラー合金、磁性半導体、ＣｒＯ_２、Ｆｅ_３Ｏ_４、Ｌａ_１―ＸＳｒ_ＸＭｎＯ_３などのハーフメタル磁性体酸化物（あるいはハーフメタル磁性体窒化物）のいずれかを用いることができる。

ここで「磁性半導体」としては、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）の少なくともいずれかの磁性元素と、化合物半導体または酸化物半導体とからなるものを用いることができ、具体的には、例えば、（Ｇａ、Ｃｒ）Ｎ、（Ｇａ、Ｍｎ）Ｎ、ＭｎＡｓ、ＣｒＡｓ、（Ｇａ、Ｃｒ）Ａｓ、ＺｎＯ：Ｆｅ、（Ｍｇ、Ｆｅ）Ｏなどを挙げることができる。

本実施形態においては、挿入層の材料として、これらのうちから用途に応じた磁気特性を有するものを適宜選択して用いればよい。

また、これら磁性層に用いる材料としては、連続的な磁性体でもよく、あるいは非磁性マトリクス中に磁性体からなる微粒子が析出あるいは形成されてなる複合体構造を用いることもできる。このような複合体構造としては、例えば、「グラニュラー磁性体」などと称されるものを挙げることができる。

一方、中間層Ｂ１、Ｂ２の材料としては、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはこれらのいずれか一種以上を含む合金をはじめとし、Ｍｇ（マグネシウム）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、シリコン（Ｓｉ）及び鉄（Ｆｅ）よりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物あるいは窒化物、フッ化物からなる絶縁体を用いることができる。導電層の場合には、酸素等の異種元素が添加されていてもよい。また、異種元素が不連続な高電気抵抗薄膜を形成していてもよい。さらに、絶縁層の場合には磁性固着層ホールが形成され、そこに磁性層が進入していてもよい。

図３は、本実施形態の第１の具体例に係る磁気記録素子の積層構造を表す断面図である。

磁性固着層Ｃ１、中間層Ｂ１、磁性記録層Ａ、中間層Ｂ２、磁性固着層Ｃ２、がこの順に積層されている。本具体例においては、積層方向に対して垂直な方向にみた磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の断面は、略円形とされている。そして、この積層体Ｓはテーパー状に形成され、さらにその少なくとも磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の側面にはダメージ領域７が形成されている。

図４は、本実施形態の第２の具体例に係る磁気記録素子の積層構造を表す断面図である。

本具体例においても、図３に関して前述したものと同様の各層が積層されている。ただし、積層方向に対して垂直な方向にみた磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の断面は、略四角形である。そして、この積層体Ｓはテーパー状に形成され、さらにその少なくとも磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の側面にはダメージ領域７が形成されている。

図３及び図４に表したように、本実施形態の磁気記録素子の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の断面は、積層方向に対して垂直な方向にみた時に、円形であっても四角形であってもよい。これら以外にも、例えば、楕円形や多角形、あるいはそれら以外の不定形であってもよい。

そして、これらいずれの場合も、磁性固着層Ｃ２の膜厚の中間点（膜厚中間点）８（図１参照）における断面積（膜面に対して平行な方向の断面積）ＳＵが、磁性固着層Ｃ１の膜厚の中間点（膜厚中間点）８における膜面に対して平行な方向の断面積ＳＬの７０パーセント以下とすることが望ましい。
またさらに、磁性固着層Ｃ２の膜厚中間点８における膜面に対して平行な方向の断面積ＳＵは、２０００ｎｍ^２以下とすることが望ましい。
以下、これらの条件について、実施例を参照しつつ説明する。
まず、図３に表した磁性記録素子について説明する。
ここでは、図示しない下地層として厚さ２ｎｍのＲｕ層、磁性固着層Ｃ１として厚さ２０ｎｍのＦｅＰｔ強磁性、中間層Ｂ１として厚さ０．６ｎｍのＭｇＯからなる非磁性バリア層、磁性記録層Ａとして厚さ２．４ｎｍのＣｏＣｒＦｅ強磁性層、中間層Ｂ２として厚さ６ｎｍのＣｕからなる非磁性導電層、磁性固着層Ｃ２として厚さ２０ｎｍのＦｅＰｔ強磁性層、図示しないキャップ層として厚さ３ｎｍのＴａ層、をこの順に積層する。なお、ＭｇＯバリア層とＣｕ非磁性導電層とを入れ替えてもよい。

この積層体Ｓは、テーパー角度θが約８０度となるようにパターニングされている。上の磁性固着層Ｃ２と下の磁性固着層Ｃ１との中間点（Ｃｕ ６ｎｍ＋ＣｏＣｒＦｅ ２．４ｎｍ＋ＭｇＯ ０．６ｎｍ積層膜の中間点）における直径（積層方向に対して垂直な方向の直径）は、約２０ｎｍである。第１実施例では、この部分の直径をセルの直径とする。５００ボルトの加速電圧でイオンミリングを用いて積層体Ｓを加工し、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の側面から約３ｎｍの深さでダメージ領域７が導入されている。

テーパー角度θの関係から、下の磁性固着層Ｃ１の下面においては直径は約２９ｎｍであり、一方、上の磁性固着層Ｃ２の下面においては直径は１８ｎｍである。したがって、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の側面から同じ深さでダメージ領域７が導入されると、ダメージ領域７が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２に占める割合は、互いに異なってくる。

図５は、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２においてダメージ領域７の占める割合を体積比で表したグラフ図である。すなわち、図５では、ダメージ領域７の占有率（パーセント）のセル直径（ｎｍ）に対する依存性を表した。ここで、図５の横軸は、磁性記録層Ａの膜厚中間点における直径であり、これは、磁性固着層Ｃ１の膜厚中間点８（図１参照）における直径と磁性固着層Ｃ２の膜厚中間点８における直径との平均値と等価である。

ここで、セル（積層体Ｓ）の断面が円であると仮定して、

（ダメージ領域７の体積）／（磁性固着層の全体体積） × １００ （％）

としてダメージ領域７の占有率を計算した。

ダメージ領域７の深さが３ｎｍの場合、セル直径２０ｎｍで上側の磁性固着層Ｃ２においては約６０％もの部分がダメージを受けていることがわかる（図中、Ａ）。一方、セル直径２０ｎｍの場合、下側の磁性固着層Ｃ１におけるダメージ領域７の占有率は、約４０％である（図中、Ｂ）。このように、ダメージ領域７の占有率が大きく異なることにより、保磁力の低下度合いは、磁性固着層Ｃ１と磁性固着層Ｃ２との間で大きく異なることが理解できる。

なお、セル側面のテーパー角度θは、ミクロスコピックには変動することもある。このため、ここで定義するテーパー角度θとは、上の磁性固着層Ｃ２の膜厚中間点８と下の磁性固着層Ｃ１の膜厚中間点８とを結んだ線と膜面に対する法線とのなす角度をφとして、θ＝９０−φとする。すなわち、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の断面サイズが同一の場合には、テーパー角度θ＝９０度となる。
そして、セルが垂直（テーパー角度９０度）に加工された場合には、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２には同じ割合のダメージ領域７が導入されているため、これら両層ともに同程度の保磁力の低下が発生することがわかる。

一方、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占める割合は、セルサイズが小さくなるにつれて顕著になることが分かる。テーパー形状（テーパー角度θ）が同じでセルサイズを縮小すると、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２に導入されるダメージ領域７の深さは一定であるので（上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の層厚を同じとする）、ダメージ領域７が占める割合は、体積の小さい上側の磁性固着層Ｃ２でより顕著になる。しかし、これは積層体Ｓがテーパーを有する場合であり、垂直に加工されたセルの場合には、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の膜厚を増加させて体積を増やしても、側面から導入されるダメージ領域７の深さは一定であるので、ダメージ領域７の体積率は変化しない。

ここで、ハード磁性（硬磁性）材料にソフト磁性（軟磁性）材料を隣接させることによる保磁力の低下について説明する。
図６は、ハード磁性膜とソフト磁性膜の積層によるスイッチング磁界の低下を表すグラフ図である。
一般に、ハード磁性材料とソフト磁性材料とを隣接させて交換結合させた場合、その全体の保磁力は、ソフト磁性材料の体積の割合に比例して低下する。ハード磁性材料とソフト磁性材料とを隣接させた状態での実効的な異方性磁界Ｈ_ｋ ^ｅｆｆは（１）式のように表すことができる。

Ｈ_ｋ ^ｅｆｆ＝Ｈ_ｋｏ(１＋γ) ・・・（１）

ここで、Ｈ_ｋｏ：ソフト磁性材料が隣接していない状態での異方性磁界、γ：ソフト磁性材料のハード磁性材料に対する体積比である。ソフト磁性材料のハード磁性材料に対する体積比が小さい領域では、Ｈ_ｋ ^ｅｆｆのγに対する変化はほぼ直線で近似可能である。このように、実効的な異方性磁界は、ソフト磁性材料の体積比に対して単調に減少し、異方性磁界（単磁区の場合、保磁力）は、低下する。

図６においては、垂直磁気記録のハード磁性材料として厚さ１０ｎｍのＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ_２膜に、ソフト磁性膜としてＮｉＦｅ−ＳｉＯ_２膜を４ｎｍまで積層した場合のＨ_ｏ（磁化反転のスイッチング磁界にほぼ対応する）の低下を白丸印で示している。ＣｏＰｔＣｒ−ＳｉＯ_２膜の厚さを１０ｎｍから１４ｎｍまで変化させた時のＨ_ｏの変化も黒丸印で示している。ハード磁性膜にソフト磁性膜を積層することにより、記録時のスイッチング磁界に相当するＨ_ｏが低下することが示されている。ＮｉＦｅ−ＳｉＯ_２層の厚さが３ｎｍにおいてＨ_ｏの低下量は約２ｋＯｅ（キロエルステッド）に達している。この時のソフト磁性膜とハード磁性膜の合計に対するソフト磁性膜の比は約２０％であり、ソフト磁性膜の厚さが１ｎｍでこの比が１０％の時に、Ｈ_ｏの低下量が１ｋＯｅとなっている。すなわち、実験より膜厚比１％あたりＨ_ｏが１００Ｏｅ低下することが示されている。ハード磁性膜の上にソフト磁性膜を積層しているので、膜厚比は体積比に置き換えることができる。

本実施形態による磁気記録素子においては、２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に５００Ｏｅの保磁力差があれば、安定な磁化を行うことができることをもとにすれば、ソフト磁性化した磁性固着層Ｃ１におけるダメージ領域７の体積比と、磁性固着層Ｃ２におけるダメージ領域７の体積比と、に５％の差があれば、２つの磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に５００Ｏｅの保磁力差をつけることが可能となる。磁性体内で生ずる反磁界の影響を考慮すると、積層体Ｓにテーパーをつけたことによって、体積が小さい磁性固着層Ｃ１の方が反磁界が弱く、保磁力が低下せずにスイッチング磁界は、磁性固着層Ｃ２より大きくなる方向となる。しかし、同じ深さのダメージ領域７であっても、体積の小さい磁性固着層Ｃ１の方がその体積比は大きく、スイッチング磁界は低下することとなる。

再び図５に戻って説明すると、本実施例においては、図５のグラフから、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の体積比の差が５％になるセル径は、ダメージ領域７の深さを３ｎｍとした場合には、約５０ｎｍであることが分かる。つまり、セル径を約５０ｎｍ以下とした場合に、ダメージ領域７の占有割合が上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間で５％以上の差を生じ、実用的に効果の表れる条件であるといえる（図中、Ｃ）。
つまり、図５から、磁性記録層Ａの膜厚中間点における直径が５０ｎｍ以下であれば、磁性固着層Ｃ１におけるダメージ領域７の占有割合と磁性固着層Ｃ２におけるダメージ領域７の占有割合との差が５パーセントを超えるといえる。この場合、磁性記録層Ａの膜厚中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、約２０００平方ナノメートルである。従って、磁性固着層Ｃ１の膜厚中間点と磁性固着層Ｃ２の膜厚中間点との中間における膜面に対して平行な方向の断面積が２０００平方ナノメートル以下であれば、磁性固着層Ｃ１におけるダメージ領域７の占有割合と磁性固着層Ｃ２におけるダメージ領域７の占有割合との差が５パーセント以上となることが分かる。

イオンミリングにより導入されるダメージ領域７の深さについては、２５０ボルトでの低エネルギービームで加工した場合、Ｎｉで１〜２ｎｍ，Ｔａで３〜５ｎｍであると観察されている（Ohsawa, J.Magn. Magn. Mat. Vol.287, 2005, p.491）。従って、ダメージ領域７の深さを概ね３ｎｍとするのは妥当であるといえる。

なお、積層体Ｓをパターニング加工する際に導入されるダメージ領域７が磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力に与える影響としては、ＧｄＦｅＣｏ膜については、ＫｒでスパッタするとCoercivity energy（Ｍｓ×Ｈｃ）は、約５×１０^３ｅｒｇ／ｃｍ^３，であり、ＡｒスパッタするとCoercivity energy（Ｍｓ×Ｈｃ）は約２×１０^３ｅｒｇ／ｃｍ^３であると報告されている。（Uni,et. al., J. Magn. Soc. Jpn., vol.31,(2007) p.184）。つまり、膜に取り込まれやすいＡｒで加工すると、Ｋｒで加工した場合にくらべて、保磁力が低下することが報告されている。この保磁力の低下は、ガス混入などが膜質に与える影響であることが推測され、さらにセル加工のような高エネルギービームによる直接的なダメージの導入の際には、さらに大きく保磁力が低下すると考えられる。したがって、高保磁力膜をダメージ領域７の導入により、低保磁力化することができることがわかる。

積層体Ｓにテーパーが付与された状態では、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の膜厚によってダメージ領域７の割合が変化する。
図７は、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に５％のダメージ領域７の占有率の差が発生するテーパー角度θを臨界テーパー角度θｃとして、磁性記録層Ａの面積に対する依存性を表したグラフ図である。すなわち、図７の横軸は、磁性記録層Ａの面積（膜面に対して平行な方向の断面積であり、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積である）を表し、縦軸は、臨界テーパー角度θｃを表す。

また、図７においては、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の平均膜厚をパラメータとして表した。ここで、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の平均層厚とは、磁性固着層Ｃ１の膜厚と磁性固着層Ｃ２の膜厚の平均値である。

臨界テーパー角度θｃは、磁性記録層Ａの面積に対して直線的に減少することが分かる。磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の膜厚の平均値が大きいほど、その傾きはなだらかになる。臨界テーパー角度θｃは、以下の（２）式のように表すことができる。

θｃ（°）＝９０−０．００１（１０−０．２５ｔ）Ｓ_ｆ ・・・（２）

ここで、ｔ：磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の平均膜厚［ｎｍ］、Ｓ_ｆ：磁性記録層Ａの面積［ｎｍ^２］、θｃ＞０である。
（２）式により表される臨界テーパー角θｃよりも小さいテーパー角θを積層体Ｓに付与することで、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２のダメージ領域７の占有率の差を５％以上とすることができる。

次に、テーパー角θの下限について説明する。
例えば、記憶容量が１ＧｂのＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）では、セルとセルとの隙間は、６０ｎｍ程度と考えられる。
図８は、セルのピッチを６０ｎｍとした場合に、セルのテーパー角度θに対して、セルのすそ野長さと、セル間の長さと、をそれぞれプロットしたグラフ図である。
セルのテーパー角度θが６７度よりも小さくなると、セル間の隙間は２０ｎｍを下回ることになる。セルの高さを５０ｎｍとした場合、セル間に形成される空間は、高アスペクト（＞約２．５）になり、約５５度でセル間がショートするなど、セルのパターニングが困難となる。また、図７より、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の平均膜厚が下限と考えられる５ｎｍでは磁性記録層Ａの面積の２０００ｎｍ^２との交点は約６７度となる。これらの理由から、積層体Ｓのテーパー角度θは６７度よりも大きくすることが望ましいといえる。

次に、本実施形態において、垂直磁化膜を採用することの利点について説明する。
これは、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２、及び磁性記録層Ａの磁化が面内を向いていると、ダメージ領域７による影響は、セルサイズが小さくなるほど深刻に素子特性を劣化させるおそれがあるからである。すなわち、高保磁力材料に軟磁性材料を隣接させると、軟磁性材料の異方性エネルギーは高保磁力材料に比べて十分に小さいことから、系全体の磁気エネルギーＥは、以下の（３）式に示すように高保磁力材料の磁気異方性で決まる項と、ゼーマン項と、により表される。

Ｅ＝Ｓδ［Ｋｕsin^２θ−ＭｓＨ（１−γ）cos（φ−θ）］・・・（３）

ここで、Ｓ：高保磁力膜の断面積、δ：高保磁力膜の膜厚、Ｋｕ：高保磁力膜の磁気異方性エネルギー、θ：磁化容易軸と磁化とのなす角度、Ｍｓ：飽和磁化、γ：軟磁性膜の硬磁性膜に対する膜厚比、φ：磁化容易軸と印加磁界とのなす角度、である。

図９（ａ）は、高保磁力膜が面内磁化配向した状態を例示する模式平面図であり、（ｂ）は垂直磁化配向した状態を表す模式断面図である。
図９（ｂ）に表したように、高保磁力膜が垂直方向に磁化配向した場合には、膜面に対して垂直な方向に大きな垂直磁気異方性を有する。つまり、Ｋｕが大きくなる。
これに対して、図９（ａ）に表したように、高保磁力膜が面内方向に磁化配向した場合、面内に結晶粒回転の自由度がある。つまり、結晶粒毎に磁化の方向が面内において変化しやすい。この場合には、特定の方向に大きなＫｕを持つことができない。すなわち、Ｋｕが小さい。そのため、（３）式から、大きな垂直方向に垂直磁気異方性（Ｋｕ大）を有する垂直磁化高保磁力膜に比べて、面内磁化の場合には、系全体のエネルギーが低いことが分かる。例えば、保磁力は、面内磁化型のＣｏＣｒＴａ膜では約２ｋＯｅ以下程度である。

そのため、図９（ａ）に表したように、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の側面に形成されたダメージ領域７（内部よりも相対的に軟磁性の領域である）の磁化が回り始めると、それに引きずられてダメージを受けていないコアな部分の磁化も回りだしやすい。また、保磁力が低下したダメージ領域７の部分は反磁界に負けて磁化が周方向に回転してしまい、ダメージを受けていないコアな部分との界面に磁化不連続による磁荷を発生させ、実効的に、Ｄ−２ｄ（ただし、Ｄ：磁性固着層の直径、ｄ：ダメージ層深さ）に減少するため、反磁界が上昇する。

図１０は、磁性固着層を垂直磁化させた場合と面内磁化させた場合とを比較したグラフ図である。ここで、横軸は、図５の横軸と同様に定義した磁性記録層Ａの直径である。
図１０の曲線Ａは、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の厚みを５ｎｍで形成して面内磁化配向させた場合に、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２へのダメージ領域７の占有率の差を表した曲線である。上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有率の差が５％を越えるセル直径は、テーパー角度θが８０度であるとして、約３０ｎｍである。しかし、周囲から３ｎｍのダメージ領域７が導入されると、周囲のダメージ領域７は磁化を周方向に向けるので実質的に直径２４ｎｍ、厚さ５ｎｍの硬磁性円板となる（図９（ａ）参照）。この反磁界係数は約０．２程度と見積もられるので、４πＭ＝７０００Ｇ（Ｍは飽和磁化）として、反磁界約１．４ｋＯｅであり保磁力と同等程度の数値となるため、磁化方向は不安定化する。さらに、ダメージによりソフト化したダメージ領域７と交換結合しているために、磁化はさらに不安定となり、事実上、磁化固着層としては機能しない。また、膜厚を大きくするとさらに反磁界は大きくなる。

したがって、面内磁化型の場合は、ダメージ領域７の占有率の差が上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間で顕著になるセルサイズでは、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２は、事実上、磁化固着層として機能しなくなる。また、数十ｎｍ以下の微細な領域においてダメージを積極的に導入することは、素子の信頼性の点でできるだけ避けたい。

また、Ｒｕ（ルテニウム）などの非磁性金属を挟んで上下に逆向きの磁性膜を配置し、一方の磁性膜をＰｔＭｎなどの反強磁性膜で一方向異方性を与える、いわゆる「シンセティックピン構造」の場合、ダメージ領域７は一方向異方性やシンセティック性の消失で軟磁性成膜と同じ働きをして磁化回転が発生する。その結果、一方向異方性が与えられているコアな部分へも影響が及び、磁化回転が連鎖的に導入されて磁化が不安定となりやすい。

これに対して、図１０の曲線Ｂは、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の厚みを２０ｎｍで形成して垂直磁化配向させた場合に、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２へのダメージ領域７の占有率の差を表した曲線である。この場合、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有率の差が５％を越えるセル直径は、テーパー角度θが８０度であるとして、約５０ｎｍである。この場合には、図９（ｂ）に関して前述したように、高保磁力膜は、膜面に対して垂直な方向に大きな垂直磁気異方性を有する。つまり、Ｋｕが大きくなる。従って、その周囲にダメージ領域７が形成され、その磁化が軟化しても、コアな部分の磁化は安定しており、変化することがない。つまり、磁化固着層として機能することができる。また、セルサイズがおよそ５０ｎｍ以下となると、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有率の差が５％を越える。つまり、面内磁化の場合と比べて、より大きなセルサイズにおいて、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間の保磁力に有意な差を与えることができる。

以上説明した実施例では、連続的なテーパーをセルに付与していた。しかし、セル形状を不連続に変化させた場合には、さらに効果がある。
図１１（ａ）〜（ｄ）は、セル形状を不連続に変化させた具体例を表す模式断面図である。
例えば、図１１（ａ）に表したように、上側の磁性固着層Ｃ２から磁性記録層Ａまで同じ直径もしくは同一のテーパーで形成し、中間層Ｂ１および磁性固着層Ｃ１は不連続に大きな直径で形成することができる。つまり、上側の磁性固着層Ｃ２と下側の磁性固着層Ｃ１との間に不連続点が存在するようにすることで大きな効果が得られる。

このような不連続型構造は、例えば、セルのパターニングの途中でイオンミリングの角度を変更することで実現できる。例えば、上側の磁性固着層Ｃ２からイオンミリング法によりテーパー角度θを約８０度として加工し、磁性記録層Ａまで加工した後、約６０度のテーパー角度に変更し、中間層Ｂ１と磁性固着層Ｃ１を加工することで形成することができる。イオンミリング角度の変更点は、エンドポイント検出器を用いて、磁性記録層Ａの終点を検出し、そこでイオンミリング角度を変更する。このような方法で、例えば、上側の磁性固着層Ｃ２のテーパー角度が８０度で、中間層Ｂ１よりも下側のテーパー角度を４５度とすることもできる。

このように、積層体Ｓを連続的なテーパーではなく不連続的な形状に加工することで、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有割合の差をさらに大きくすることができる。例えば、上側の磁性固着層Ｃ２の直径（膜厚２０ｎｍの膜厚中間点における直径）を２０ｎｍとすると、下側の磁性固着層Ｃ１の直径は約４５ｎｍとなり、ダメージ領域７の占有割合の差を３５％程度にまで増加させることができる（８０度の連続テーパーのままだと、ダメージ領域７の占有割合の差は約２０％である）。

以下に、テーパー形状が垂直なセルに関して説明する。
図１２は、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有割合の差が５％となる条件表すグラフ図である。すなわち、図１２の横軸は、上側の磁性固着層Ｃ２の面積を表し、縦軸はダメージ領域７の占有割合の差が５％となるための下側の磁性固着層Ｃ１の直径の増加分（上側の磁性固着層Ｃ２に対する）を表す。

下側の磁性固着層Ｃ１のセル直径の増加分をｄＤとすると、図１２に表した関係は、以下の（４）式のように表すことができる。

ｄＤ［ｎｍ］＝０．００７Ｓ＋０．５ ・・・（４）

ここで、Ｓ：磁性固着層Ｃ２の面積（＝フリー層面積）［ｎｍ^２］である。
従って、その増加分を加えた下側の磁性固着層Ｃ１の臨界直径ＤＬは、以下の（５）式により表すことができる。

ＤＬ［ｎｍ］＝磁性固着層Ｃ２の直径＋０．００７Ｓ＋０．５ ・・（５）

つまり、下側の磁性固着層Ｃ１の直径がＤＬよりも大きければ、ダメージ領域７の占有割合の差が５％を越える。ここで、（５）式は、図１３に例示したように、テーパー角度θが９０度の場合での計算である。テーパーが付与された場合は、臨界直径はさらに小さくてすむ。

ところで、面内磁化型の場合には、下側の磁性固着層Ｃ１のエッジに磁荷は発生するので、磁性固着層Ｃ１の直径（サイズ）を大きくすることは、磁性記録層Ａに入る磁界を小さくできるため効果的である。しかし、垂直磁化型においては、下側の磁性固着層Ｃ１の表面に磁荷が発生し、そこから発生した磁界が磁性記録層Ａに入り込み、磁性記録層Ａの記録電流密度の非対称性につながる。したがって、下側の磁性固着層Ｃ１の面積は、磁性記録層Ａに対しての漏れ磁界という観点では、差がないほうが望ましい。したがって、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有率の差を大きくすることと、磁荷の発生を抑えることと、のバランスで適正な下側の磁性固着層Ｃ１の面積を決定することが望ましい。

この観点からは、テーパーの変曲点を上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に形成し、徐々に下側の磁性固着層Ｃ１の層径を広げることが望ましい。図１１には、このような具体例を表した。

すなわち、図１１（ａ）は、変曲点を境に、テーパーが小さくなる（浅くなる）構造を表す。図１１（ｂ）は、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に変曲点が２箇所ある構造を表す。すなわち、上側の磁性固着層Ｃ２から最初の変曲点でセル幅を拡げ、次の変曲点で下側の磁性固着層Ｃ１のサイズを規定すべくテーパー角度が大きく（深く）なっている。上側の磁性固着層Ｃ２のテーパー角度は、下側の磁性固着層Ｃ１のテーパー角度よりも大きい。

図１１（ｃ）は、その逆で、上側の磁性固着層Ｃ２のテーパー角度が下側の磁性固着層Ｃ１のテーパー角度よりも小さい（浅い）構造を表す。
図１１（ｄ）は、下側の磁性固着層Ｃ１の中にも変曲点があり、下側の磁性固着層Ｃ１のサイズをより積極的に規定できる構造を表す。
一方、図１３は、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２ともに、側面がほぼ垂直な構造を表す。この構造でも効果がある。
ここで、図１４に表したように、磁性記録層Ａと磁性固着層Ｃ１との距離（中間層Ｂ１の厚みに相当）をｈとした時に、下側の磁性固着層Ｃ１の表面が露出している部分の幅は、３ｈ以内が望ましい。その根拠を、図１５を参照しつつ説明する。
垂直磁化型では、下側の磁性固着層Ｃ１の表面に発生する磁化により、磁性記録層Ａの側面に対して、膜面に垂直方向に磁界がかかる。これは磁性記録層Ａにとってはバイアス磁界として作用する。このため、記録時の磁化反転の際に通電量の非対称性の原因となるため、このような磁化が小さいほうがよい。

図１５は、磁性固着層Ｃ１の露出する部分が磁性記録層Ａの側面に及ぼすバイアス磁界の大きさを表すグラフ図である。図１５の横軸は、磁性固着層Ｃ１に露出する部分の延在距離を表す。また、図１５の縦軸は、磁性固着層Ｃ１の露出する延在距離が無限大の場合のバイアス磁界を１として規格化して表した。なお、ここでは、簡単のため磁性固着層Ｃ１の厚さを０としている。

図１５から、磁性固着層Ｃ１が露出する延在距離が短くなるほど、磁性記録層Ａの側面に与えるバイアス磁界は急激に小さくなる。延在距離が無限大の場合と比較して、延在距離３ｈでバイアス磁界をおよそ５％カットでき、延在距離を１ｈにするとバイアス磁界を約２５％カットできる。つまり、磁性固着層Ｃ１の露出する部分の延在距離は小さいほうが、バイアス磁界の低減のためには有利である。

一方、面内磁化型の場合には、磁性固着層Ｃ１の側面に磁化が発生する。そのため、磁性固着層Ｃ１の露出する延在距離が長いほど、磁性記録層Ａに与える磁界は小さくなる。図１５においては、磁性固着層Ｃ１が露出する延在距離がゼロ（０）における磁界で規格化している。

このように、垂直磁化型では、面内磁化型とは対照的に、磁性固着層Ｃ１の露出する延在距離が小さいほど、記録電流の対称性という点で望ましい。そして、垂直磁化型の場合には、磁性固着層Ｃ１が露出する延在距離は、第１の中間層Ｂ１の膜厚の３倍以下にすることが望ましい。

以上、本実施形態の磁気記録素子における特徴をまとめると、図３及び図４に関して前述したように、磁性固着層Ｃ２の膜厚中間点８（図１参照）における断面積（膜面に対して平行な方向の断面積）ＳＵが、磁性固着層Ｃ１の膜厚中間点８における膜面に対して平行な方向の断面積ＳＬの７０パーセント以下とすることが望ましい。
またさらに、図５に関して前述した結果から、磁性固着層Ｃ２の膜厚中間点８における膜面に対して平行な方向の断面積ＳＵは、２０００ｎｍ^２以下とすることが望ましい。
このように設定することで、図３及び図４に例示したようにセル側面が連続的なテーパーで加工されている場合や、図１１及び図１３に例示したように不連続的にテーパーが変化している場合でも、上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力を最適に変化させることができる。

図１６は、以上説明した各具体例をあわせて、下側の磁性固着層Ｃ１の面積を上側の磁性固着層Ｃ２に対してどのような比にすればいいかを表したグラフ図である。以上説明した構造を総合的に表すと、

（磁性固着層Ｃ１の面積）＝１．４×（磁性固着層Ｃ２の面積）

という一次直線が近似的に得られる。すなわち、磁性固着層Ｃ２の面積は、磁性固着層Ｃ１の面積の７０パーセント以下であることが望ましいことが分かる。これらの条件を満たすことにより、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力に積極的に差をつけて、この構造の磁気記録素子を安価に信頼性よく提供することができる。

またさらに、本実施形態によれば、磁性記録層Ａの側面にもダメージ領域７を設けることにより、磁化反転をより容易に生じさせることが可能となる。すなわち、図９などに関して前述したように、イオンや電子線、あるいは不純物などを導入することによりダメージ領域７を形成すると、その領域は、内部よりも相対的に軟磁性の領域となる。磁性記録層Ａの側面に、このような相対的に軟磁性の領域７が形成されると、スピン偏極電流が流された時に、電子のスピンから受けるトルクにより、この相対的に軟磁性の領域７において最初に磁化が変化する。そして、このような領域７での磁化の反転に導かれるようにして、磁性記録層Ａの内部の磁化も反転が促進される。つまり、磁性記録層Ａの磁化を反転させやすくなり、磁化反転のための臨界電流を下げることができる。その結果として、書き込みの省電力化を図ることができる。しかも、この方法によれば、例えばダメージ領域７が酸化された領域などである場合にも、ダメージ領域７は磁性記録層Ａの側面のみに形成されるので、高抵抗の酸化領域が電流パスを遮るという問題は生じない。つまり、書き込みや読み出しの電流パスを遮ることなく、磁化反転を促進させる軟磁性の領域を磁性記録層Ａに付与することができる。
垂直磁化を用いた場合は、磁性記録層Ａの膜厚を下げると反磁界が大きくなり、低電流密度で反転しやすくなる反面、熱耐性（記録信頼性）が劣化する。この方法を用いれば、磁性記録層Ａの厚さ（磁性体体積）を大きくしたまま、反転電流密度を低下させることができるため、信頼性と省電力を両立することができる。

図１７及び図１８は、本実施形態の磁気記録素子の製造方法を表すフローチャートである。
まず、積層体Ｓを形成する（ステップＳ１００）。具体的には、例えば配線層やスイッチング素子などが適宜形成された基体の上に、図１や図３などに関して前述したように、磁性固着層Ｃ１、中間層Ｂ１、磁性記録層Ａ、中間層Ｂ２、磁性固着層Ｃ２を含む積層体を形成する。

次に、この積層体Ａをパターニングし、少なくとも磁性固着層Ｃ１と磁性固着層Ｃ２の少なくともいずれかの側面にダメージ領域７を導入する（図１７：ステップＳ１１０）。例えば、イオンミリングやＲＩＥなどの手法により積層体Ｓを所定の形状にパターニングする際に、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の少なくともいずれかの側面に、ダメージ領域７を導入する。このようにして導入されたダメージ領域７は、中心部よりも相対的に軟磁性の領域として作用する。
また、図１８に表したように、積層体Ｓのパターニング（ステップＳ１０５）と、ダメージ領域７の導入（ステップＳ１１５）と、を別のプロセスにより実施してもよい。例えば、ウエットエッチングなどの方法により積層体Ｓを順メサ状、逆メサ状あるいはステップ状（図１３参照）などの形状にパターニングし、その後、パターニングされて側面に露出した磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の少なくともいずれかの側面にイオンやプラズマ、電子線、あるいはラジカルなどを照射することにより、ダメージ領域７を導入することができる。または、ガスを供給して、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の少なくともいずれかの側面において酸化、窒化、炭化、フッ化の少なくともいずれかを生じさせてもよい。または、ガスを供給して、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の少なくともいずれかの側面に不純物を導入してもよい。

次に、相対的に保磁力の大きい磁性固着層Ｃ１の磁化を固着する（ステップＳ１２０）。すなわち、積層体Ｓに対して、第１の方向の磁場を印加して、磁性固着層Ｃ１の磁化を固着する。

次に、相対的に保磁力の小さい磁性固着層Ｃ２の磁化を固着する（ステップＳ１３０）。すなわち、積層体Ｓに対して、第１の方向とは反対の第２の方向の磁場を印加して、磁性固着層Ｃ２の磁化を固着する。この際に、第２の方向の磁場の強さは、第１の方向の磁場よりも小さく、磁性固着層Ｃ１の磁化が反転することはない。このようにして、本実施形態の磁気記録素子の要部が完成する。

その後、パターニングした積層体Ｓどうしの間隙を例えば、絶縁体により埋め込んだり、積層体Ｓの上方の電極５（図１参照）に配線層を接続することにより、磁気記録装置を形成することができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の保磁力に有意の差を設けることができるので、それぞれの磁化を反対向きに固着することが容易となる。特に、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２に同一の磁性材料を用いた場合でも、これらの磁化を反対向きに固着することが容易となる。その結果として、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の形成に際して、例えば、同一のターゲットを用いたスパッタリングや、同一の原料を用いた蒸着、ＣＶＤなどの方法を用いることができる。

ところで、本実施形態においては、図１７のステップＳ１１０や図１８のステップＳ１１５において、磁性固着層Ｃ１に導入するダメージ領域７の深さと、磁性固着層Ｃ２に導入するダメージ領域７の深さと、を異なるものにしてもよい。
図１９は、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２のダメージ領域７の深さに差を設ける方法を説明するための模式図である。
例えば、セルを加工する際に、磁性固着層Ｃ２は高エネルギービームにて加工し、磁性固着層Ｃ１は低エネルギービームで加工すると、磁性固着層Ｃ２に対して磁性固着層Ｃ１よりも深いダメージ領域７を形成することができる。このようにすることで、より薄い磁性固着層や、垂直に近いテーパー角度を有するセルに対しても、より大きな保磁力差をつけることができる。たとえば、イオンミリングを用いる場合、磁性固着層Ｃ２を５００ボルトのビームで加工して、磁性固着層Ｃ１を２００ボルトのビームで加工することで、磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に約２倍のダメージ領域の深さの差を与えることができる。

これまでの説明では、面積の小さな磁性固着層Ｃ２の保磁力が小さく、面積の大きな磁性固着層Ｃ１の保磁力を大きくしたが、図１９に表した方法を用いれば、保磁力の関係を逆転させることもできる。つまり、面積の小さな磁性固着層Ｃ２の保磁力が大きく、面積の大きな磁性固着層Ｃ１の保磁力を小さくすることも可能となる。その結果として、製造上のプロセスウインドウを広げることができる。

本実施形態の磁気記録素子は、微小かつ磁化反転機能を有することから、各種用途に適用できる。次に、本発明の磁気記録素子を並べて記録記憶装置に適応した具体例について説明する。

図２０は、本実施形態の磁気記録素子を用いた磁気記憶装置を表す模式図である。すなわち、本具体例は、本実施形態の磁気記録素子を、いわゆる「パターンド（patterned）媒体」に適用し、これにプローブでアクセスする、プローブストレージである。

記録媒体は、導電性基板１１０の上において、高抵抗の絶縁体１００の面内に、本実施形態の磁気記録素子１０がマトリクス状に配置された構造を有する。これら磁気記録素子１０の選択のために、媒体表面上にプローブ２００が設けられ、プローブ２００と媒体表面との相対的位置関係を制御するための駆動機構２１０、磁気記録素子１０にプローブ２００から電流または電圧を印加するための電源２２０、磁気セルの内部磁化状態を電気抵抗の変化として検出するための検出回路２３０が設けられている。

図２０に表した具体例においては、駆動機構２１０はプローブ２００に接続されているが、媒体とプローブとの相対位置が変化すればよいので、媒体側に設けてもよい。同図に表したように、磁気記録素子１０を複数個、導電性基板１１０の上に配列させてパターンド媒体とし、導電性プローブ２００と基板１１０との間に磁気セル１０を介して電流を流すことによって、記録再生を行なう。

磁気記録素子１０の選択は、導電性プローブ２００とパターンド媒体との相対的位置関係を変えることで行なう。導電性プローブ２００は、磁気記録素子１０に対して電気的に接続されればよく、接触していても、非接触してもよい。非接触の場合には、磁気記録素子１０とプローブ２００との間に流れるトンネル電流あるいは電界放射による電流を用いて記録再生を行なうことができる。

図２１は、マルチプローブ方式の磁気記録装置を表す概念図である。
本実施形態の磁気記録素子１０を、図２０に関して前述したように基板上に並べ、例えば、３２×３２のマトリックスを形成する。このマトリックスを、例えばさらに３２×３２並べ、合計で１Ｍ（メガ）ビットの記録再生媒体を形成する。そして、この記録再生媒体に対して、３２個×３２個からなるプローブで記録再生を行う磁気記憶装置を形成することができる。すなわち、本具体例の磁気記憶装置においては、マトリックス１セットに対してプローブ１個を対応させる。

プロービングは、図２１に表した如くである。それぞれのプローブ２００に対するセルの選択は、媒体に設けられたＸＹ駆動機構により行なう。ただし、位置関係が相対的に変化するならばプローブ２００に設けられた駆動機構２１０でセル選択を行なってもよい。また、プローブ２００がマルチ化されているため、各プローブはいわゆるワード線ＷＬとビット線ＢＬに繋ぎ、ワード線ＷＬとビット線ＢＬを指定することで、プローブ２００の選択を可能とした。
磁気記録素子１０への記録再生は、磁気セルにアクセスしたプローブ２００から注入される電流により行う。

図２２は、スイッチング素子を用いた磁気記憶装置を例示する模式図である。
例えば、ウェーハ上に、予め下側ビット線とトランジスタを形成し、この上に、磁気記録素子１０のアレイを形成する。さらに、その上にワード線を形成し、磁気記録素子１０の電極がビット線とワード線に接続される図２２に表した構造の磁気記憶装置を形成できる。

磁気記録素子１０の選択は、磁気記録素子に繋がったワード線ＷＬとビット線ＢＬを指定することで可能となる。すなわち、ビット線ＢＬを指定することでトランジスタＴＲをオン（ＯＮ）にし、ワード線ＷＬと電極に挟まれた磁気記録素子１０へ電流を流す。このとき、磁気セルのサイズ、構造、組成等により決定される磁化反転電流をＩｓとすると、Ｉｓよりも大きな書き込み電流Ｉｗをセルに流すことで記録が可能となる。

図２３及び図２４は、いわゆるクロスポイント構造の磁気記憶装置を例示する模式図である。
例えば、ウェーハ上に、予め下側ビット線とダイオードＤを形成し、この上に、磁気記録素子１０のアレイを形成する。さらに、その上にワード線を形成し、磁気記録素子１０の電極がビット線とワード線に接続される構造の磁気記憶装置を形成できる。

磁気記録素子１０の選択は、磁気記録素子に繋がったワード線ＷＬとビット線ＢＬを指定することで可能となる。この時、ダイオードＤは、選択した磁気記録素子１０とは異なる磁気記録素子１０への電流を抑制する役割を有する。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、上述した各具体例に限定されるものではない。例えば、図１〜図２４に関して前述した各具体例のいずれか２つあるいはそれ以上を技術的に可能な範囲で組み合わせたのも、本発明の範囲に包含される。
すなわち、本発明は各具体例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能であり、これらすべては本発明の範囲に包含される。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気記録素子の断面構造を例示する模式図である。 本実施形態の磁気記録素子１０における「書込み」のメカニズムを説明するための模式図である。 本実施形態の第１の具体例に係る磁気記録素子の積層構造を表す断面図である。 本実施形態の第２の具体例に係る磁気記録素子の積層構造を表す断面図である。 磁性固着層Ｃ１、Ｃ２においてダメージ領域７の占める割合を体積比で表したグラフ図である。 ハード磁性膜とソフト磁性膜の積層によるスイッチング磁界の低下を表すグラフ図である。 上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２の間に５％のダメージ領域７の占有率の差が発生するテーパー角度θを臨界テーパー角度θｃとして、磁性記録層Ａの面積に対する依存性を表したグラフ図である。 セルのピッチを６０ｎｍとした場合に、セルのテーパー角度θに対して、セルのすそ野長さと、セル間の長さと、をそれぞれプロットしたグラフ図である。 （ａ）は、高保磁力膜が面内磁化配向した状態を例示する模式平面図であり、（ｂ）は垂直磁化配向した状態を表す模式断面図である。 磁性固着層を垂直磁化させた場合と面内磁化させた場合とを比較したグラフ図である。 セル形状を不連続に変化させた具体例を表す模式断面図である。 上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２におけるダメージ領域７の占有割合の差が５％となる条件表すグラフ図である。 上下の磁性固着層Ｃ１、Ｃ２ともに、側面がほぼ垂直な構造を表す。 磁性記録層Ａと磁性固着層Ｃ１との距離（中間層Ｂ１の厚みに相当）をｈとした時に、下側の磁性固着層Ｃ１の表面が露出している部分の幅を表すグラフ図である。 磁性固着層Ｃ１の露出する部分が磁性記録層Ａの側面に及ぼすバイアス磁界の大きさを表すグラフ図である。 下側の磁性固着層Ｃ１の面積を上側の磁性固着層Ｃ２に対してどのような比にすればいいかを表したグラフ図である。 本実施形態の磁気記録素子の製造方法を表すフローチャートである。 本実施形態の磁気記録素子の製造方法を表すフローチャートである。 磁性固着層Ｃ１、Ｃ２のダメージ領域７の深さに差を設ける方法を説明するための模式図である。 本実施形態の磁気記録素子を用いた磁気記憶装置を表す模式図で マルチプローブ方式の磁気記録装置を表す概念図である。 スイッチング素子を用いた磁気記憶装置を例示する模式図である。 いわゆるクロスポイント構造の磁気記憶装置を例示する模式図である。 いわゆるクロスポイント構造の磁気記憶装置を例示する模式図である。

符号の説明

８ 膜厚の中間点（膜厚中間点）
１０ 磁気記録素子（磁気セル）
θ テーパー角度
θｃ 臨界テーパー角度
１００ 絶縁体
１１０ 基板
２００ プローブ
２１０ 駆動機構
２２０ 電源
２３０ 検出回路
Ａ 磁性記録層
Ｂ１ 中間層
Ｂ２ 中間層
ＢＬ ビット線
Ｃ１ 磁性固着層
Ｃ２ 磁性固着層
Ｄ ダイオード
Ｍ１ 磁化
Ｍ２ 磁化
Ｓ 積層体
ＳＬ 断面積
ＳＵ 断面積
ＴＲ トランジスタ
ＷＬ ワード線

Claims (19)

1. 膜面に対して略垂直な第１の方向に磁化が固着された第１の磁性層と、膜面に対して略垂直で前記第１の方向とは反対の第２の方向に磁化が固着された第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられ磁化の方向が可変の第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有する積層体と、
   前記積層体の前記膜面に対して略垂直な方向に電流を通電可能とした一対の電極と、
   を備え、
   前記第１の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第２の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積よりも大きく、
   前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともいずれかは、その内部よりも相対的に軟磁性の領域を側面に有し、
   前記第２の磁性層の保磁力は、前記第１の磁性層の保磁力よりも小さいことを特徴とする磁気記録素子。
2. 前記第１の磁性層において前記軟磁性の領域が占める体積率と、前記第２の磁性層において前記軟磁性の領域が占める体積率と、が異なることを特徴とする請求項１記載の磁気記録素子。
3. 前記第２の磁性層の前記膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第１の磁性層の前記膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積の７０パーセント以下であり、
   前記第１の磁性層の前記膜厚の中間点と前記第２の磁性層の前記膜厚の中間点との中間における膜面に対して平行な方向の断面積は、２０００平方ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の磁気記録素子。
4. 前記積層体の側面は、膜面に対して６７〜８５度のテーパー角度を有するテーパー形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
5. 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の厚さの平均値を、ｔ［ｎｍ］とし、前記第３の磁性層の膜面に対して平行な方向の断面積を、Ｓ_ｆ［ｎｍ^２］とすると、前記テーパー角度は、θｃ［度］＝９０−０．００１（１０−０．２５ｔ）Ｓ_ｆにより定義される臨界角θｃ以下であることを特徴とする請求項４記載の磁気記録素子。
6. 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に、前記テーパー角度の変曲点が存在することを特徴とする請求項４記載の磁気記録素子。
7. 前記テーパー角度の変曲点は、複数存在することを特徴とする請求項６記載の磁気記録素子。
8. 前記第１の磁性層のうちで前記第３の磁性層の端部よりも側面方向に延在する部分の長さは、前記第１の中間層の厚さの３倍以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
9. 前記第１の磁性層及び前記第２の磁性層の側面のテーパー角度がいずれも８５度以上であり、前記第２の磁性層の前記膜厚の中間点での膜面に対して平行な方向の断面積を、Ｓ［ｎｍ^２］とし、前記第１の磁性層の前記膜厚の中間点での直径を、Ｄ_Ｌ［ｎｍ］とし、前記第２の磁性層の前記膜厚の中間点での直径を、Ｄ_Ｕ［ｎｍ］とすると、Ｄ_Ｌ＞Ｄ_Ｕ＋０．００７Ｓ＋０．５、であることを特徴とする請求項１記載の磁気記録素子。
10. 前記第３の磁性層は、その内部よりも相対的に軟磁性の領域を側面に有することを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
11. 前記第１、第２、第３の磁性層に形成される内部に比べ相対的に軟磁性である層の厚さは、少なくとも一層は他層と異なることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
12. 前記第１の磁性層と前記第２の磁性層は、同一の磁性体からなることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の磁気記録素子。
13. 第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有する積層体を形成する工程と、
    前記積層体をパターニングする際に、前記第１の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第２の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積よりも大きくし、前記第１の磁性層の側面に形成されその内部よりも相対的に軟磁性の領域の占める体積率と、前記第２の磁性層の側面に形成されその内部よりも相対的に軟磁性の領域の占める体積率と、が異なり、かつ、前記第２の磁性層の保持力を、前記第１の磁性層の保持力よりも小さくなるように前記積層体を加工する工程と、
    を備えたことを特徴とする磁気記録素子の製造方法。
14. 第１の磁性層と、第２の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第３の磁性層と、前記第１の磁性層と前記第３の磁性層との間に設けられた第１の中間層と、前記第３の磁性層と前記第２の磁性層との間に設けられた第２の中間層と、を有する積層体を形成する工程と、
    前記積層体をパターニングする工程と、
    前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の少なくともいずれかの側面に、その内部よりも相対的に軟磁性の領域を形成する工程と、
    を備え、
    前記第１の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積は、前記第２の磁性層の膜厚の中間点における膜面に対して平行な方向の断面積よりも大きくし、前記第２の磁性層の保持力を、前記第１の磁性層の保持力よりも小さくしたことを特徴とする磁気記録素子の製造方法。
15. 前記積層体を加工した後に、前記第１の磁性層と前記第２の磁性層の磁化を互いに反対の方向に固着することを特徴とする請求項１３または１４に記載の磁気記録素子の製造方法。
16. 請求項１〜１２のいずれか１つに記載の磁気記録素子と、
    前記磁気記録素子に通電する前記電流を発生する電流源と、
    前記電流を前記磁気記録素子に導く電流経路と、
    を備えたことを特徴とする磁気記憶装置。
17. 前記電流経路は、前記磁気記録素子の一端に接続されるビット線と、他端に接続されるＭＯＳトランジスタと、を有し、前記ＭＯＳトランジスタのゲートは、前記ビット線と交差するワード線に接続されることを特徴とする請求項１６記載の磁気記憶装置。
18. 前記電流経路は、互いに交差するビット線及びワード線を有し、前記ビット線と前記ワード線との交差部に前記磁気記録素子が配置されることを特徴とする請求項１６記載の磁気記憶装置。
19. 前記電流経路は、前記磁気記録素子上に配置され、前記磁気記録素子との相対位置が可動のプローブを含むことを特徴とする請求項１６記載の磁気記憶装置。

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