JP6551620B1 - 磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ - Google Patents
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Abstract
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、前記磁気記録層は、磁壁をトラップする凹部又は凸部を側面に有し、前記積層方向から平面視した際の前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記第１強磁性層の幅が前記磁気記録層の最短幅より狭い。
Description
本発明は、磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイに関する。
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（Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲｅＲＡＭ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｒａｎｄｏｍｅ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＰＣＲＡＭ（Ｐｈａｓｅ Ｃｈａｎｇｅ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）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に記載の磁壁移動型磁気記録素子は、磁壁のトラップサイトとして磁性体の側面に凹凸を設けることで磁壁の位置を制御している。しかしながら、磁性体の側面に凹凸等の不均一な形状を設けると、磁壁移動型磁気記録素子から読み出されるデータ（磁壁移動型磁気記録素子の抵抗値）にノイズが生じる場合があった。
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、データの安定化を図ることができる磁壁移動型磁気記録素子及び磁気記録アレイ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、前記磁気記録層は、磁壁をトラップする凹部又は凸部を側面に有し、前記積層方向から平面視した際の前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記第１強磁性層の幅が前記磁気記録層の最短幅より狭い。
（２）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強磁性層を前記積層方向から平面視した平面視形状が長方形であってもよい。
（３）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１強磁性層が凹部又は凸部を側面に有してもよい。
（４）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１の方向における前記磁気記録層における凹部又は凸部の位置と、前記第１の方向における前記第１強磁性層における凹部又は凸部の位置と、が一致してもよい。
（５）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記積層方向からの平面視において、前記磁気記録層の前記第１の方向に沿う第１辺と、前記第１辺と最近接する前記第１強磁性層の前記第１の方向に沿う第２辺と、が平行であってもよい。
（６）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記積層方向からの平面視で前記磁気記録層の前記第１強磁性層と重畳しない第１部分が、前記第２の方向における幅が最短となる位置における前記磁気記録層の前記積層方向の厚みより厚みの薄い薄肉部を有し、前記薄肉部が、前記磁気記録層の前記第２の方向における幅が最長となる位置にある構成でもよい。
（７）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記積層方向からの平面視で前記磁気記録層の前記第１強磁性層と重畳しない第１部分において、前記磁気記録層の前記第２の方向における幅が最短となる位置における前記積層方向の厚みｄ１が、前記磁気記録層の前記第２の方向における幅が最長となる位置における前記積層方向の厚みｄ２より厚くてもよい。
（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強磁性層及び前記磁気記録層の磁化容易軸が前記積層方向であってもよい。
（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強磁性層及び前記磁気記録層の磁化容易軸が前記積層方向と直交する面内方向であってもよい。
（１０）上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁気記録層の側面における凹部又は凸部の数が１０個以上であってもよい。
（１１）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。
（１２）第２の態様にかかる磁気記録アレイは、上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子を複数備える。
上記態様にかかる磁壁移動型磁気記録素子によれば、使用できる磁気抵抗の範囲を最大にすることができ、一つ一つのアナログ値を大きくすることができる。これにより、読み出されるデータを安定化できる。
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を模式的に示した斜視図である。図２は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００を模式的に示した平面図である。磁壁移動型磁気記録素子１００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。
「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を模式的に示した斜視図である。図２は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００を模式的に示した平面図である。磁壁移動型磁気記録素子１００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。
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。
＜第１強磁性層＞ 図１に示す第１強磁性層１０は、ｚ方向から平面視した平面視形状が長方形であり、厚み方向の幅及び長さが一定の直方体である。
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が挙げられる。
また第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、Ｘ２ＹＺ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、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧａ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２Ｍｎ１−ａＦｅａＡｌｂＳｉ１−ｂ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ１−ｃＧａｃ等が挙げられる。
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、１．５ｎｍ以下とすることが好ましく、１．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。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。すなわち、第１強磁性層１０の磁化の向きをｚ方向にできる。
＜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−ｚ方向に配向した磁化を有し、第２の磁区２３が＋ｚ方向に配向した磁化を有する。
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−ｚ方向に配向した磁化を有し、第２の磁区２３が＋ｚ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の磁化と反対方向（反平行）であり、第２の磁区２３の磁化と同方向（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の抵抗値は高くなる。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の抵抗値は低くなる。
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、側面に凹部又は凸部を有する。磁気記録層の側面における凹部又は凸部の数は１０個以上であることが好ましい。凹部又は凸部の数が１０個以上であれば、１つの磁壁移動型磁気記録素子１００で多数の情報（１０進法以上）を記録できる。
図２に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の磁気記録層２０は、基準面Ｂに対して凹む複数の凹部２０Ａを有する。図２では、基準面Ｂを磁気記録層２０の±ｙ方向の端部を通り、ｘ方向に平行な面とした。基準面Ｂの取り方によっては、磁気記録層２０は基準面Ｂに対して突出する複数の凸部を有するとも言える。磁気記録層２０が側面に凹部を有する場合と凸部を有する場合とで磁壁をトラップする原理は変わらないため、以下、磁気記録層２０が凹部２０Ａを有する場合を例に説明する。
図２において、複数の凹部２０Ａは、磁壁２１をトラップする。磁壁２１は、磁気記録層２０内で磁壁２１が感じるポテンシャル分布が低い場所で安定的に留まる。凹部２０Ａは、磁気記録層２０内の磁気的なポテンシャル分布の違いを生み出す。
磁壁移動型磁気記録素子１００からデータを読み出す際は、第１強磁性層１０から第１電極４１又は第２電極４２のいずれかに向けて読み出し電流を流す。この読出し電流は、磁気記録層２０内において磁壁２１と垂直な方向に流れ、磁壁２１を移動してしまう場合がある。読出し電流により磁壁２１の位置が変化すると、データを正確に抽出できない。磁壁２１を凹部２０Ａでトラップすると、読出し電流により磁壁２１の位置が変化する（データが書き換わる）ことを抑制できる。
第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００における磁気記録層２０の最短幅ｗ２０は、第１強磁性層１０の幅ｗ１０より広い。すなわち、第１強磁性層１０の幅ｗ１０は、磁気記録層２０の最短幅ｗ２０より狭い。ここで、幅ｗ１０及び最短幅ｗ２０は、ｚ方向に投影した投影図における幅及び最短幅を意味する。例えば、ｙｚ平面で切断した際の断面が下底の長さが上底の長さより長い台形の場合、台形の下面における幅を意味する。
磁気記録層２０の最短幅ｗ２０が第１強磁性層１０の幅ｗ１０より広いと、凹部２０Ａと第１強磁性層１０とがｚ方向から平面視で重畳しない。磁壁移動型磁気記録素子１００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と磁気記録層２０）の磁化状態の変化により生じる。つまり、磁気記録層２０のｚ方向からの平面視で第１強磁性層１０と重畳する部分の磁化状態が安定であると、大きなＭＲ比を得ることができる。
磁気記録層２０の凹部２０Ａ近傍の磁化は界面（側面）の効果を受け、磁化状態が乱れる。凹部２０Ａと第１強磁性層１０とがｚ方向からの平面視で重畳すると、凹部２０Ａにより乱れた磁化状態がノイズとなり、磁壁移動型磁気記録素子１００のＭＲ比を低下させる。これに対し、凹部２０Ａと第１強磁性層１０とがｚ方向から平面視で重畳しないと、磁化状態の乱れた凹部２０Ａは、磁壁移動型磁気記録素子１００のＭＲ比に影響を及ぼさない。
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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４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ＭｇＡｌ２Ｏ４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、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
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、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、及び、ＭｇＡｌ２Ｏ４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ＭｇＡｌ２Ｏ４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、ＣｕＩｎＳｅ２、ＣｕＧａＳｅ２、Ｃｕ（Ｉｎ，Ｇａ）Ｓｅ２等を用いることができる。
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は、ｙ方向において、第１強磁性層１０の幅ｗ１０が磁気記録層２０の最短幅ｗ２０より狭い。そのため、磁化状態の乱れる凹部２０Ａ近傍の磁化が、磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値変化（ＭＲ比）に与える影響を抑制できる。つまり、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００は、ノイズの発生を抑制することができる。
「第２実施形態」
図３に示す第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は、第１強磁性層１１がｙ方向の側面に複数の凹部１１Ａを有する。基準面をどの位置にするかによっては、第１強磁性層１１が複数の凸部を有するとみなしてもよい。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は、複数の凹部１１Ａを有する点が第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と異なり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図３に示す第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は、第１強磁性層１１がｙ方向の側面に複数の凹部１１Ａを有する。基準面をどの位置にするかによっては、第１強磁性層１１が複数の凸部を有するとみなしてもよい。第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は、複数の凹部１１Ａを有する点が第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と異なり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図３に示す第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１においても、ｚ方向から平面視した際のｙ方向において、第１強磁性層１１の幅ｗ１１は、いずれの位置においても磁気記録層２０の最短幅ｗ２０より狭い。すなわち、第１強磁性層１１の最大幅は、磁気記録層２０の最短幅ｗ２０より狭い。
図４は、磁壁２１の位置に対する磁壁移動型磁気記録素子１０１の抵抗値変化を模式的に示した図である。図４に示すグラフの縦軸は第１強磁性層１１と磁気記録層２０との間の積層方向の抵抗値を示し、グラフの横軸は第１電極４１から第２電極４２に向けてパルス電流を印加した回数である。第１電極４１から第２電極４２に向けてパルス電流を印加した回数が増える程、磁壁２１は第２の磁区２３側に移動する。
図４に示すように磁気記録層２０が凹部２０Ａを有すると、磁壁移動型磁気記録素子１０１の抵抗値変化が階段状になる。凹部２０Ａが磁壁２１のトラップサイトとして機能し、磁壁２１の移動が段階的になるためである。
図３及び図４に示すように、第１強磁性層１１の凹部１１Ａのｘ方向における位置は、磁気記録層２０の凹部２０Ａのｘ方向における位置と一致していることが好ましい。凹部１１Ａと凹部２０Ａのｘ方向の位置が一致すると、階段状に変化する抵抗値の変化量が一定になる（図４における各段差の高さ変化が一定になる）。また計測される抵抗値は、磁壁２１が凹部２０Ａに移動した際の抵抗値となる。そのため、図４に示すように、計測される抵抗値変化量が一定となり、多値のデータを安定的に読み出すことができる。
またｚ方向からの平面視において、磁気記録層２０のｘ方向に沿う第１辺２０ａと、第１辺２０ａと最近接する第１強磁性層１１のｘ方向に沿う第２辺１１ａと、が平行であることが好ましい。この関係を満たすと、計測される抵抗値変化量がより一定となり、多値のデータをより安定的に読み出すことができる。
一方で図２に示す磁壁移動型磁気記録素子１００のように、平面視形状が長方形の第１強磁性層１０は、より連続的（アナログ的）な応答（抵抗値変化）が求められる際に好適である。図５は、磁壁２１の位置に対する図２に示す磁壁移動型磁気記録素子１００の抵抗値変化を模式的に示した図である。図５に示すグラフの縦軸は第１強磁性層１０と磁気記録層２０との間の積層方向の抵抗値を示し、グラフの横軸は第１電極４１から第２電極４２に向けてパルス電流を印加した回数である。
図５に示すように、隣接する凹部２０Ａの間隔が狭い場合は、磁壁２１がｙ方向に対して傾斜して形成される場合がある。この場合、磁壁２１の移動は、凹部２０Ａがない場合よりは段階的だが、凹部２０Ａの間隔が充分離れている場合よりは連続的になる。第１強磁性層１０の平面視形状が長方形であれば、第１強磁性層１０の面積率の変化を考慮する必要が無く、安定的にデータを読み出すことができる。
上述のように、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は、ｙ方向において、第１強磁性層１０の幅ｗ１０が磁気記録層２０の最短幅ｗ２０より狭い。そのため、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１は、ノイズの発生を抑制することができる。また第１強磁性層１１が磁気記録層２０と対応する凹部１１Ａを有することで、段階的に変化する抵抗値を安定的に読み出すことができる。
「第３実施形態」
図６に示す第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０２は、ｚ方向から平面視した形状は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と同一であるが、ｙ方向に沿う所定の面で切断した磁気記録層２５の断面形状が第１実施形態にかかる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１００と異なり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図６に示す第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０２は、ｚ方向から平面視した形状は、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００と同一であるが、ｙ方向に沿う所定の面で切断した磁気記録層２５の断面形状が第１実施形態にかかる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１００と異なり、同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図６に示す第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０２は、第１強磁性層１０と磁気記録層２５と非磁性層３０とを備える。磁気記録層２５は側面に複数の凹部２５Ａを有する。またｚ方向から平面視した際のｙ方向において、第１強磁性層１０の幅ｗ１０は、いずれの位置においても磁気記録層２５の最短幅ｗ２５より狭い。
図７は、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０２をｙ方向に沿って切断した断面図である。図７（ａ）は、Ａ−Ａ面に沿って切断した断面であり、図７（ｂ）は、Ｂ−Ｂ面に沿って切断した断面である。Ａ−Ａ面は磁気記録層２５のｙ方向の幅が最短幅ｗ２５となる位置のｙｚ平面であり、Ｂ−Ｂ面は磁気記録層２５のｙ方向の幅が最長幅となる位置のｙｚ平面である。
図７（ａ）に示すＡ−Ａに示すように、ｚ方向からの平面視で磁気記録層２５の第１強磁性層１０と重畳しない第１部分２５ａの形状は、切断面によって異なる。Ａ−Ａ面の切断面における第１部分２５ａの幅ｗ１（最近接の第１強磁性層１０と磁気記録層２５との端部間距離、図７（ａ）参照）は、Ｂ−Ｂ面の切断面における第１部分２５ａの幅ｗ２（図７（ｂ）参照）より短い。
これに対し、Ａ−Ａ面の切断面における第１部分２５ａの厚みｄ１は、Ｂ−Ｂ面の切断面における第１部分２５ａの厚みｄ２より厚い。当該構成にすると、切断面毎の第１部分２５ａの面積差（｜ｗ１×ｄ１−ｗ２×ｄ２｜）を小さくすることができ、磁気記録層２５に流れる電流の電流密度を均一にすることができる。磁気記録層２５に流れる電流の電流密度を均一にすると、磁壁移動型磁気記録素子１０２の動作が安定する。
図７では、切断面における第１部分２５ａの厚みを変化させることで、切断面毎の第１部分２５ａの面積差を抑制したが、切断面毎の第１部分２５ａの面積差を抑制することができれば当該構成に限られない。
図８は、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例をｙ方向に沿って切断した断面図である。図８（ａ）は、Ａ−Ａ面に沿って切断した断面であり、図８（ｂ）は、Ｂ−Ｂ面に沿って切断した断面である。Ａ−Ａ面は磁気記録層２５のｙ方向の幅が最短幅ｗ２５となる位置のｙｚ平面であり、Ｂ−Ｂ面は磁気記録層２５のｙ方向の幅が最長幅となる位置のｙｚ平面である。
図８に示す磁壁移動型磁気記録素子１０３は、磁気記録層２５のｙ方向における幅が最長となる位置における第１部分２５ａに、薄肉部２５ｂを有する。第１部分２５ａに薄肉部２５ｂを有すると、切断面毎の第１部分２５ａの面積差を小さくすることができ、磁気記録層２５に流れる電流の電流密度の不均一を抑制することができる。
また図９は、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子の別の例をｙ方向に沿って切断した断面図である。図９（ａ）は、Ａ−Ａ面に沿って切断した断面であり、図９（ｂ）は、Ｂ−Ｂ面に沿って切断した断面である。Ａ−Ａ面は磁気記録層２５のｙ方向の幅が最短幅ｗ２５となる位置のｙｚ平面であり、Ｂ−Ｂ面は磁気記録層２５のｙ方向の幅が最長幅となる位置のｙｚ平面である。
図９に示す磁壁移動型磁気記録素子１０４は、第１部分２５ａの上面が傾斜面となっている。Ａ−Ａ面で切断した断面における第１部分２５ａのｙ方向端部の高さｈ１は、Ｂ−Ｂ面で切断した断面における第１部分２５ａのｙ方向端部の高さｈ２より高い。そのため各切断面における第１部分２５ａの面積の面積差が小さい。当該構成でも、磁気記録層２５に流れる電流の電流密度の不均一を抑制することができる。
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１０２、１０３、１０４は、ｙ方向において、第１強磁性層１０の幅ｗ１０が磁気記録層２５の最短幅ｗ２５より狭い。そのため、第３実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０２、１０３、１０４においても、ノイズの発生を抑制することができる。また切断面毎の第１部分２５ａの面積差を小さくすることができ、磁気記録層２５に流れる電流の電流密度の不均一を抑制することができる。
「第４実施形態」
図１０は、第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５の斜視模式図である。図１０に示す磁壁移動型磁気記録素子１０５は、磁気記録層２０と非磁性層３０との間に、第２強磁性層５０を備える点が、第１実施形態にかかる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１００と同様の構成については同様の符号を付し、説明を省く。
図１０は、第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５の斜視模式図である。図１０に示す磁壁移動型磁気記録素子１０５は、磁気記録層２０と非磁性層３０との間に、第２強磁性層５０を備える点が、第１実施形態にかかる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１００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、第２強磁性層５０と磁気記録層２０とが、磁壁移動型磁気記録素子１０５内で示す機能を分けることができる。磁壁移動型磁気記録素子１０５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４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５においても、ｙ方向における第１強磁性層１０の幅ｗ１０は、磁気記録層２０の最短幅ｗ２５より狭い。そのため、第４実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０５においても、ノイズの発生を抑制することができる。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１０５のＭＲ比をより高めることができる。
以上、第１実施形態から第４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。
例えば、上述の実施形態においては、第１強磁性層及び磁気記録層の磁化容易軸がｚ方向である垂直磁化膜の場合を例に説明したが、図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１０６のように、第１強磁性層１０及び磁気記録層２０の磁化容易軸がｚ方向と直交する面内方向である面内磁化膜でもよい。
また例えば、上述の実施形態においては、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層及び磁気記録層のｙ方向の幅を厚み方向で一定としたが、これらの幅は一定で無くてもよい。例えば、ｙｚ平面で切断した切断面が台形形状でもよい。
「第５実施形態」
図１２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１２に示す磁気記録アレイ２００は、磁壁移動型磁気記録素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１２は、磁気記録アレイの一例であり、磁壁移動型磁気記録素子１００の種類、数及び配置は任意である。
図１２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１２に示す磁気記録アレイ２００は、磁壁移動型磁気記録素子１００が３×３のマトリックス配置をしている。図１２は、磁気記録アレイの一例であり、磁壁移動型磁気記録素子１００の種類、数及び配置は任意である。
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、１本のソースラインＳＬ１〜３、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及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００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及びソースラインＳＬ１〜３を選択することで、任意の磁壁移動型磁気記録素子１００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、ソースラインＳＬ１〜３、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。それぞれが多値で情報を記録できる複数の磁壁移動型磁気記録素子１００にデータを記録することで、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、１１ 第１強磁性層
２０、２５ 磁気記録層
１１Ａ、２０Ａ、２５Ａ 凹部
２５ａ 第１部分
２５ｂ 薄肉部
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
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 磁壁移動型磁気記録素子
２００ 磁気記録アレイ
２０、２５ 磁気記録層
１１Ａ、２０Ａ、２５Ａ 凹部
２５ａ 第１部分
２５ｂ 薄肉部
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
１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 磁壁移動型磁気記録素子
２００ 磁気記録アレイ
Claims (10)
- 強磁性体を含み、凹部又は凸部を側面に有する第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、
前記磁気記録層は、磁壁をトラップする凹部又は凸部を側面に有し、
前記積層方向から平面視した際の前記第１の方向と直交する第２の方向において、前記第１強磁性層の幅が前記磁気記録層の最短幅より狭い、磁壁移動型磁気記録素子。 - 前記第１の方向における前記磁気記録層における凹部又は凸部の位置と、前記第１の方向における前記第１強磁性層における凹部又は凸部の位置と、が一致する、請求項１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記積層方向からの平面視において、前記磁気記録層の前記第１の方向に沿う第１辺と、前記第１辺と最近接する前記第１強磁性層の前記第１の方向に沿う第２辺と、が平行である、請求項１に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記積層方向からの平面視で前記磁気記録層の前記第１強磁性層と重畳しない第１部分が、前記第２の方向における幅が最短となる位置における前記磁気記録層の前記積層方向の厚みより厚みの薄い薄肉部を有し、
前記薄肉部が、前記磁気記録層の前記第２の方向における幅が最長となる位置にある、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。 - 前記積層方向からの平面視で前記磁気記録層の前記第１強磁性層と重畳しない第１部分において、
前記磁気記録層の前記第２の方向における幅が最短となる位置における前記積層方向の厚みｄ１が、前記磁気記録層の前記第２の方向における幅が最長となる位置における前記積層方向の厚みｄ２より厚い、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強磁性層及び前記磁気記録層の磁化容易軸が、前記積層方向である、請求項１〜５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強磁性層及び前記磁気記録層の磁化容易軸が、前記積層方向と直交する面内方向である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 前記磁気記録層の側面における凹部又は凸部の数が１０個以上である、請求項１〜７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１〜８のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
- 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を複数備える、磁気記録アレイ。
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