JP6769569B2 - 磁壁移動型磁気記録素子 - Google Patents

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Description

本発明は、磁壁移動型磁気記録素子に関する。本願は、２０１８年１月１１日に、日本に出願された特願２０１８−００２４６９に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
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。この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、側面に凹凸を形成するためには、層を積層後に後加工する必要がある。後加工の場合、強磁性層が積層される積層面にダメージ等が生じる。磁壁移動型磁気記録素子は、磁気抵抗変化を利用してデータを読み書きする。磁気抵抗変化は、非磁性層を挟む磁気記録層と強磁性層との間の磁化状態の変化により生じる。積層面のダメージは、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）の低下の原因となる。また、特許文献１には、磁気記録層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。この場合も、トラップサイトは、強磁性体の磁化安定性を低下させ、ノイズの原因となる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、磁壁の移動を制御し、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）の低下を抑えて、ノイズの少ない磁壁移動型磁気記録素子を提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。
（１）第１の態様に係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強磁性層に面する非磁性層と、前記非磁性層の前記第１強磁性層と反対側の面に面し、第１の方向に延びる磁気記録層とを備え、前記磁気記録層は、前記非磁性層に面する第１面と反対側の第２面に、凹凸構造を有する。
（２）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１面は、前記第２面より算術平均粗さが小さくてもよい。
（３）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記凹凸構造は、前記積層方向からの平面視で、前記凹凸構造をなす凸部の配置が不規則であってもよい。
（４）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記磁気記録層の前記第２面に面する基体と、前記基体と前記磁気記録層との間に位置する中間体と、をさらに備えてもよい。
（５）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記中間体は、非磁性のトラップ補強部材であり、前記トラップ補強部材は、前記基体の一面に点在する、または、前記磁気記録層の前記第２面側に凹凸を有する層であってもよい。
（６）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記中間体は、前記基体に近い位置から、トラップ補強部材と、前記トラップ補強部材を被覆する絶縁層と、を有し、前記トラップ補強部材は、前記基体の一面に点在する、または、前記磁気記録層の前記第２面側に凹凸を有する層であってもよい。
（７）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記トラップ補強部材の一端は、前記基体に接しており、前記基体の表面を構成する材料の表面エネルギーをγＡ、前記トラップ補強部材の材料の表面エネルギーをγＢとしたときに、γＢ＜γＡであり、下記（１）式で規定される表面エネルギーミスマッチΓＡＢが０．５より大きくてもよい。
Figure 0006769569
（８）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記磁気記録層からなる記録部を複数有し、前記複数の記録部は、前記第１の方向と交差する第２の方向に並び、前記トラップ補強部材は、前記複数の記録部に亘って、同一面内に広がってもよい。
（９）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記磁気記録層からなる記録部を複数有し、前記トラップ補強部材又は前記トラップ補強部材における凸部は、前記複数の記録部に亘って、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在してもよい。
（１０）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記凹凸構造は、前記第１の方向に、周期性を有してもよい。
（１１）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記凹凸構造は、第１形状の凹部又は凸部と、前記第１形状より体積が大きい第２形状の凹部又は凸部と、を有してもよい。
（１２）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２形状の凹部または凸部は、前記積層方向からの平面視において、前記第１強磁性層の端面と重なる位置にあってもよい。
（１３）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２形状の凹部または凸部は、前記第１形状の凹部または凸部より前記第１の方向に大きくてもよい。
（１４）上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子において、前記第２形状の凹部または凸部は、前記第１形状の凹部または凸部より前記積層方向に大きくてもよい。
（１５）上記態様に係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。
（１６）第２の態様に係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強磁性層の一方の側に積層され、積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を有し、前記第１強磁性層と反対側に、前記磁壁をトラップする凹凸構造を有する磁気記録層と、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積層され、前記磁気記録層の凹凸構造を平坦化する平坦化層を有する制御部と、を備えている。
上記態様に係る磁壁移動型磁気記録素子によれば、磁壁の移動を制御し、磁気抵抗変化率（ＭＲ比）の低下を抑えてノイズの低減を図ることができる。
第１実施形態に係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実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例を、模式的に示したｘｚ断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例を、模式的に示したｙｚ断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例を、模式的に示したｘｚ断面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子を、模式的に示した平面図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例を、模式的に示した断面図である。 第２実施形態に係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２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の製造方法の一例の説明図である。 第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例を、模式的に示した断面図である。 第３実施形態に係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３実施形態に係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４実施形態に係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５実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子を、模式的に示した平面図である。 第５実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例を、模式的に示した平面図である。 第６実施形態にかかる磁気記録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実施形態に係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７５とを備えている。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。記録部６０は、データを書き込み、読み出しするための部分である。制御部７５は、基体８０と中間体（平坦化層）７０を有している。制御部７５は、記録部６０の磁壁２１の動きを制御する凹凸構造を形成するために設けられた部分である。制御部７５は、間接的に記録部６０の磁壁２１を制御するが、制御部７５が能動的に磁壁２１の動きを制御するわけではない。図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００は、第１強磁性層１０の積層方向から見て、第１強磁性層１０を挟む位置に、第１電極４１と第２電極４２とを備えている。
以下、磁気記録層２０が延びる第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方向と直交する第３の方向を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。また本明細書で「ｘ方向に延びる」とは、例えば、ｘ方向、ｙ方向、及びｚ方向の各寸法のうち最小の寸法よりもｘ方向の寸法が大きいことを意味する。他の方向に延びる場合も同様である。
「記録部」
＜第１強磁性層＞
第１強磁性層１０は、強磁性体を含む。例えば、第１強磁性層１０は、複数の層で構成されている。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、ＣｏＨｏ２、ＳｍＦｅ１２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、ＸＹＺまたはＸ２ＹＺの化学組成を有する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は、ｘｙ面内方向に磁化容易軸を有する面内磁化膜であってもよいし、ｚ方向に磁化容易軸を有する垂直磁化膜であってもよい。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の厚さは、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、１．０ｎｍ以上２．５ｎｍ以下とすることが好ましく、１．０ｎｍ以上２．０ｎｍ以下とすることがより好ましい。第１強磁性層１０を薄くすると、第１強磁性層１０と他の層（非磁性層３０）との界面の影響を受けて、第１強磁性層１０は垂直磁気異方性（界面垂直磁気異方性）を有する。
＜磁気記録層＞
磁気記録層２０は、第１強磁性層１０に面する。ここで「面する」とは、他の層と対向していることを意味し、間に他の層を挟む場合も含む。磁気記録層２０は、第１強磁性層１０と非磁性層３０を挟む。磁気記録層２０は、第１強磁性層１０の一方の側（図１では下側）に積層されている。磁気記録層２０は、積層方向Ｌと交差する第１の方向（図１ではｘ方向）に延びる。磁気記録層２０は、例えば、ｚ方向からの平面視で、ｘ方向に長軸を有し、ｙ方向に短軸を有する長方形である。
磁気記録層２０は、非磁性層３０に面する第１面２０Ａと、第１面２０Ａと反対の第２面２０Ｂと、を有する。磁気記録層２０は、第２面２０Ｂに、磁壁２１をトラップする凹凸構造２４を有する。第１面２０Ａは、第２面２０Ｂより算術平均粗さ（Ｒａ）又は算術面粗さが小さく、平坦である。算術平均粗さ（Ｒａ）は、第１面２０Ａ又は第２面２０Ｂを測定した粗さ曲線から平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取り部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。第１面２０Ａ及び第２面２０Ｂの粗さ曲線は、ｘ方向に沿って測定する。平均線は、ｚ方向の高さの平均位置であり、ｘ方向に延びる。算術面粗さは、算術平均粗さ（Ｒａ）を面方向に拡張したパラメータであり、表面の平均面に対して、各点の高さの差の絶対値の平均である。凸部２４ａにおける磁気的なポテンシャルエネルギーは、凹部２４ｂにおける磁気的なポテンシャルエネルギーに比べて低い。磁壁２１は、凸部２４ａにトラップされやすい。
凸部２４ａ及び凹部２４ｂは、ｚ方向から見て、ｘ方向に周期的（等間隔）又は不規則に配置される。凸部２４ａ及び凹部２４ｂがｘ方向に周期的に配置する場合（図１参照）、磁壁２１は所定間隔ごとにトラップされる。その結果、磁壁移動型磁気記録素子１００は、データを多値記録しやすくなる。
図２は、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例のｘｚ断面を模式的に示した図である。図２に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ａは、隣接する凸部２４ａ間のｘ方向の距離が一定ではなく、凸部２４ａのｘ方向の幅もそれぞれの凸部２４ａで異なる。凸部２４ａ及び凹部２４ｂは、ｘ方向に不規則に配置されている。凸部２４ａ及び凹部２４ｂがｘ方向に不規則に配置する場合、磁壁２１が不規則にトラップされ、磁壁２１の動きが緩やかになる。その結果、磁壁移動型磁気記録素子１００は、データをアナログ記録しやすくなる。
また図３は、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例のｙｚ断面を模式的に示した図である。図３に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ｂは、隣接する凸部２４ａ間のｙ方向の距離が一定ではなく、凸部２４ａのｙ方向の幅もそれぞれの凸部２４ａで異なる。凸部２４ａ及び凹部２４ｂはｙ方向に不規則に配置されている。図３に示すように、凸部２４ａ及び凹部２４ｂは、ｘ方向に限らず、ｙ方向に不規則に配置されていてもよい。
また図４は、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の別の例のｘｚ断面を模式的に示した図である。図４に示す磁壁移動型磁気記録素子１００Ｃは、凸部２４ａのｚ方向の高さが一定ではない。図４に示すように、凸部２４ａ及び凹部２４ｂは、ｘ方向に限らず、ｚ方向の高さまたは深さが不規則でもよい。
磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有することができる。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。二つの磁区が内部に形成されると、磁気記録層２０は、内部に磁壁２１を有する。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、データを多値又はアナログで記録する。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は、第１強磁性層１０と磁気記録層２０との間に挟まれている。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、非磁性層３０として、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することができる。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。
＜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。第１電極４１、第２電極４２は、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ等の導電材料でもよい。また第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ってもよい。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。
なお、第１電極４１及び第２電極４２は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」
＜中間体（平坦化層）＞
中間体７０は、基体８０と磁気記録層２０との間に位置する。中間体７０は、磁気記録層２０の第２面２０Ｂの凹凸構造２４を埋め、平坦化している。磁気記録層２０を基準に見た場合、中間体７０は平坦化層と捉えることができる。
図１に示す中間体７０は、磁気記録層２０の第２面２０Ｂ側の第１面７０Ａに凹凸を有する層である。中間体７０の第１面７０Ａは、凸部７４ａと凹部７４ｂとによる凹凸構造７４を有する。磁気記録層２０Ｂは、中間体７０の第１面７０Ａに積層される。磁気記録層２０Ｂの凹凸構造２４は、中間体７０の第１面７０Ａの凹凸構造７４により形成される。中間体７０の凸部７４ａは、磁気記録層２０の凹部２４ｂに対応し、中間体７０の凹部７４ｂは、磁気記録層２０の凸部２４ａに対応する。
図１に示す中間体７０は、非磁性体である。図１に示す中間体７０は、後述するトラップ補強部材の一例である。基体８０の表面が絶縁体の場合、中間体７０は、導体でも絶縁体でもよい。基体８０の表面が導体の場合、中間体７０は、絶縁体であることが好ましい。中間体７０が絶縁性を有する場合、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られる。中間体７０の抵抗が磁気記録層２０の抵抗より十分大きい場合は、中間体７０に導体、半導体等を用いてもよい。
中間体７０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。また中間体７０の厚みは、２ｎｍ以上であることが好ましい。ここで中間体７０の厚みとは、中間体７０の第１面７０Ａの平均高さ位置と、第２面７０Ｂとの距離である。平均高さ位置は、第１面７０Ａの凹凸の高さ位置を平均化した位置であり、透過型電子顕微鏡により確認できる。中間体７０の厚みが当該範囲であれば、中間体７０の第１面７０Ａに十分な凹凸差を有する凹凸構造７４を形成できる。
図５は、第１実施形態に係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。図５において中間体７０の凸部７４ａは、ｘｙ面内に不規則に配置されている。ここで本明細書において「不規則である」とは、隣接する凸部７４ａの頂点の距離が一定ではないことを意味する。隣接する凸部７４ａの頂点の距離が一定ではないことは、以下のようにして求められる。まず磁気記録層２０と重なる位置にある凸部７４ａの頂点間の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…をそれぞれ求める。次いで、凸部７４ａの頂点間の距離の最頻値を求める。凸部７４ａの頂点間の距離Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３…のそれぞれが、最頻値を基準に±５％以内の範囲にある場合、隣接する凸部７４ａの頂点の距離が一定であるとみなす。反対に、当該条件を満たさない場合、隣接する凸部７４ａの頂点の距離が一定ではなく、凸部７４ａがｘｙ面内に不規則に配置されていると判断できる。中間体７０の上に、磁気記録層２０、非磁性層３０、第１強磁性層１０が順に積層されている。磁気記録層２０の凹部２４ａ及び凹部２４ｂは、不規則に形成される。図５は中間体７０の凸部７４ａが不規則な場合を例に示したが、中間体７０の凸部７４ａは規則的に配列してもよい。
＜基体＞
基体８０は、例えば、基板と、基板の中間体７０側の一面に積層された下地層とを有する。基板は、例えば、シリコン等の半導体基板である。基体８０は、下地層を有さず、基板のみからなってもよい。
＜下地層＞
下地層は、例えば、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ等である。中間体７０の第１面７０Ａの凹凸は、下地層との関係で形成される。例えば、下地層により中間体７０の結晶成長が粒状になり、中間体７０の第１面７０Ａに凹凸が形成される。また例えば、下地層と中間体７０との表面エネルギーの違いを利用して、中間体７０の第１面７０Ａに凹凸が形成される。
次いで、第１実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００の製造方法の一例について図６Ａから図６Ｆを利用して説明する。
まず基体８０を準備する。基体８０は、基板８１と下地層８２とを有する。次いで、図６Ａに示すように、下地層８２の一面に中間体７０を形成する。中間体７０は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長層（ＣＶＤ）法等により積層される。中間体７０の第１面７０Ａは、下地層８２との関係で、凹凸となる。例えば、中間体７０の結晶と下地層８２の結晶との格子定数が異なる場合、格子定数の違いを緩和するために結晶構造が乱れ、第１面７０Ａに凹凸が形成される。また例えば、下地層８２と中間体７０との表面エネルギー差がある場合も、第１面７０Ａに凹凸が形成される。例えば、下地層８２の一面にスパッタされた中間体７０を構成する原子は、表面エネルギーの違いにより互いに凝集する。互いに凝集した原子は島状に点在する。中間体７０の成膜を続けると、島同士が結合し、第１面７０Ａに凹凸を有する中間体７０が形成される。第１面７０Ａに形成される凹凸の凸部のｘ方向の位置、ｙ方向の位置は規則的でも不規則でもよく、凸部のｚ方向の高さは一定でも異なっていてもよい。
次いで、図６Ｂに示すように、中間体７０の一面に、磁性体２８を積層する。磁性体２８の第１面２８Ａは、中間体７０の第１面７０Ａの形状を反映して、凹凸が形成される。
また図６Ｃに示すように、磁性体２８を積層する際に、異方性スパッタリングを行ってもよい。異方性スパッタリングは、被成膜体（中間体７０）に対して斜め方向からイオンをスパッタリングする方法である。イオンが斜め方向から供給されることで、成膜スピードが被成膜体（中間体７０）の面内で変化し、磁性体２８の第１面２８Ａが中間体７０の第１面７０Ａに対して平坦化する。
次いで、図６Ｄに示すように、磁性体２８の第１面２８Ａを平坦化する。平坦化は、例えば、化学機械研磨、ドライエッチング、ウェットエッチング等で行われる。図６Ｃに示すように、異方性スパッタリングを行った場合は、第１面２８Ａの平坦化工程を行わなくてもよい。
次いで、図６Ｅに示すように、磁性体２８の第１面２８Ａに磁性体２９を積層する。磁性体２８と磁性体２９は、同様のものである。磁性体２８と磁性体２９が合わさって、磁気記録層２０となる。
次いで、図６Ｆに示すように、磁気記録層２０の一面に、非磁性層３０及び第１強磁性層１０を順に積層する。その後、フォトリソグラフィー等により、非磁性層３０及び第１強磁性層１０の不要部を除去する。このような手順で、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００を作製することができる。
以上のように、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００は、磁気記録層２０の裏面側（第１強磁性層１０と反対側）の面に凹凸構造２４を有しており、これが磁壁２１のトラップサイトとして機能するため、磁壁２１の移動の制御性を高めることができる。また凹凸構造２４が形成される第２面２０Ｂは、第１強磁性層１０が積層される第１面２０Ａの裏面に当たり、磁壁移動型磁気記録素子１００のＭＲ比に与える影響が少ない。すなわち、磁壁移動型磁気記録素子１００のノイズを抑制できる。
また磁気記録層２０の周囲にトラップサイトを別途設ける場合、プロセス上の制約により、磁気記録層２０とトラップサイトとの間に所定の距離を空ける必要がある。これに対し、本実施形態では、磁気記録層２０の裏面がトラップサイトであり、トラップサイトを磁気記録層２０の周囲に設ける場合に比べて、より近い位置において磁壁２１をトラップすることができ、磁壁２１の移動の制御性をさらに高めることができる。また磁気記録層２０の側面にトラップサイトを設ける場合は、フォトリソグラフィー等の加工精度の問題上、凹凸差が数十ｎｍ程度の凹凸が側面に形成される。換言すると、第１強磁性層１０の外側に、数十ｎｍ程度の余分なスペースが必要になる。これに対し、本実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１００は、ｚ方向にトラップサイトを有しており、ｘｙ方向に余分なスペースが不要となる。
また、本実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００は、表面側（第１強磁性層１０側）に凹凸構造２４を有していないため、表面側を流れる電流の密度が凹凸構造において不連続になることによって、ノイズが発生するような問題を回避することができる。
また、本実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１００は、その製造過程おいて、第１強磁性層に対する物理的な加工を必要とせず、加工ダメージの影響により、動作時にノイズが発生するような問題も回避することができる。
以上、第１実施形態の一例について詳述したが、第１実施形態はこの例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。
図７は、第１実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例１を模式的に示した断面図である。変形例１に係る磁壁移動型磁気記録素子１００Ｄは、中間体７０が、層を形成しておらず、基体８０の一面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。この場合も、磁気記録層２０の第２面２０Ｂは凹凸構造２４を有しており、磁壁移動型磁気記録素子１００と同様の効果が得られる。
変形例１に係る磁壁移動型磁気記録素子１００Ｄは、中間体７０を積層する際に、島同士が結合する前に、中間体７０の成膜を止めることで、製造される。
「第２実施形態」
図８は、第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図８に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１は、中間体７０が基板８０に近い位置から、トラップ補強部材９０と、トラップ補強部材９０を被覆する絶縁層９１とからなる点において、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。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８において、トラップ補強部材９０は、基体８０の一面に点在している。トラップ補強部材９０は、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｕ等の非磁性体で構成されるものであってもよいし、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等の磁性体で構成されるものであってもよい。トラップ補強部材９０が非磁性体で構成される場合には、磁気記録層の凹凸構造２４における凸部２４ａと凹部２４ｂとで、磁気的なポテンシャルエネルギーの差を明確化することができ、磁壁のトラップ機能を高めることができる。また、トラップ補強部材９０が磁性体で構成される場合には、磁気記録層２０の磁化と磁気結合することにより、非磁性体で構成される場合に比べて、磁壁２１を強力にトラップすることができる。
トラップ補強部材９０の形成後に、絶縁層９１を形成するためにスパッタにて材料を成膜する場合、成膜条件から、トラップ補強部材９０の上面と側面とで、形成される平坦化材料の厚さの比率を調整することができる。このとき、トラップ補強部材９０の幅と平坦化材料の厚さの比率は、１：１〜２：１になる。したがって、磁気記録素子２０延在方向（ｘ方向）において、トラップ補強部材９０の幅は、凹部２４ｂの幅の０．３倍〜０．５倍程度となる。
絶縁層９１は、島状に点在するトラップ補強部材９０の表面を被覆する。絶縁層９１は、基体８０及びトラップ補強部材９０の表面形状を反映して成膜される。そのため、中間体７０の第１面７０Ａには、凸部７４ａと凹部７４ｂからなる凹凸構造７４が形成される。磁気記録層２０は、中間体７０の第１面７０Ａ上に形成されるため、第２面２０Ｂが凹凸構造２４となる。
絶縁層９１は、少なくとも凹部２４ｂの内壁とトラップ補強部材９０との間の部分が、絶縁性を有している。絶縁層９１は、全体が絶縁性を有していることが好ましい。絶縁層９１は、磁気記録層９０と基体８０とを電気的に分離する。中間体７０の磁気記録層２０と反対側には、基体８０が形成されている。基体８０は、トラップ補強部材９０の一端と接している。
基体８０の表面を構成する材料の表面エネルギーをγＡ、トラップ補強部材９０の材料の表面エネルギーをγＢとしたときに、γＢ＜γＡであり、下記（１）式で規定される表面エネルギーミスマッチΓＡＢが０．５より大きいことが好ましい。ここで、基体８０の表面を構成する材料とは、基体８０が基板と下地層とからなる場合は下地層を構成する材料であり、基体８０が基板からなる場合は基板を構成する材料である。第１実施形態において、中間体７０を構成する材料と基体８０の表面を構成する材料とも同様の関係を満たすことが好ましい。
Figure 0006769569
基体８０の表面の表面エネルギーと、トラップ補強部材９０の表面エネルギーとが上記関係を満たす場合、トラップ補強部材９０は成膜処理を行うだけで、島状に成長する。この場合、トラップ補強部材９０を形成するためのパターニングが不要となるため、製造プロセスを簡略化することができる。
上記関係を満たす基体８０の表面と、トラップ補強部材９０と、の材料の組み合わせの一例を、表１に示す。
Figure 0006769569
次いで、第２実施形態にかかる磁壁移動型磁気記録素子１０１の製造方法の一例について図９Ａから図９Ｆを利用して説明する。
まず基体８０を準備する。基体８０は、基板８１と下地層８２とを有する。次いで、図９Ａに示すように、下地層８２の一面にトラップ補強部材９０を形成する。トラップ補強部材９０は、例えば、スパッタリング法、化学気相成長層（ＣＶＤ）法等により積層される。トラップ補強部材９０は、島状に成長する。トラップ補強部材９０が層となる厚み以下の条件で成膜を行うと、トラップ補強部材９０は核成長し、島状となる。層となる厚み以下の条件とは、理論的にトラップ補強部材９０が原子数層分の厚みとなる条件以下の条件である。理論的に原子数層分の厚みの膜が形成される条件だとしても、現実には核成長した島同士が結合せず、トラップ補強部材９０は島状に点在する。また例えば、下地層８２に対する表面エネルギー差を考慮してトラップ補強部材９０を選択すると、トラップ補強部材９０は島状に形成される。
次いで、図９Ｂに示すように、トラップ補強部材９０の一面に、絶縁層９１を積層する。絶縁層９１は、基材８０及びトラップ補強部材９０の表面を被覆する。その結果、中間体７０の第１面７０Ａは、凹凸となる。
次いで、図９Ｃに示すように、中間体７０の一面に、磁性体２８を積層する。磁性体２８の第１面２８Ａは、中間体７０の第１面７０Ａの形状を反映して、凹凸が形成される。
また図９Ｄに示すように、磁性体２８を積層する際に、異方性スパッタリングを行ってもよい。磁性体２８の第１面２８Ａは、中間体７０の第１面７０Ａに対して平坦化する。
次いで、図９Ｅに示すように、磁性体２８の第１面２８Ａを平坦化する。平坦化は、例えば、化学機械研磨、ドライエッチング、ウェットエッチング等で行われる。図９Ｄに示すように、他の方法で第１面２８Ａを平坦化した場合は、平坦化処理を行わなくてもよい。
次いで、図９Ｆに示すように、磁性体２８の第１面２８Ａに磁性体２９を積層する。磁性体２８と磁性体２９は、同様のものである。磁性体２８と磁性体２９が合わさって、磁気記録層２０となる。
次いで、図９Ｅに示すように、磁気記録層２０の一面に、非磁性層３０及び第１強磁性層１０を順に積層する。その後、フォトリソグラフィー等により、非磁性層３０及び第１強磁性層１０の不要部を除去する。このような手順で、第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１０１を作製することができる。
本実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１０１は、トラップ補強部材９０が絶縁層９１によって被覆されている。絶縁層９１は、磁気記録層２０と基体８０とを電気的に分離する。そのため、トラップ補強部材９０の選択の自由度が高まる。したがって、磁壁２１の移動の制御性を、第１実施形態の磁壁移動型磁気記録素子１００よりさらに高めることができる。
以上、第２実施形態の一例について詳述したが、第２実施形態はこの例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。例えば、第２実施形態は、第１実施形態と同様の変形例を採用できる。
図１０は、第２実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例２を模式的に示した断面図である。変形例２に係る磁壁移動型磁気記録素子１０１Ａは、隣接するトラップ補強部材９０同士が結合し、層をなしている点が、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１００と異なる。トラップ補強部材９０は、凹凸を有する層である。絶縁層９１は、トラップ補強部材９０の表面形状を反映する。そのため、中間体７０の第１面７０Ａは、凹凸構造７４となる。この場合も、磁気記録層２０の第２面２０Ｂは凹凸構造２４を有しており、磁壁移動型磁気記録素子１０１と同様の効果が得られる。
変形例２に係る磁壁移動型磁気記録素子１０１Ａは、トラップ補強部材９０を積層する際に、島同士が結合するまで成膜を続けることで、製造される。
「第３実施形態」
図１１、１２は、第３実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図１１、１２に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２、１０３は、磁気記録層の凹凸構造２４において、一部の凹部または凸部（第２の形状の凸部又は凹部）が、他の凹部または凸部（第１の形状の凸部又は凹部）と異なった形状を有する点で、図１に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１と異なる。第１の形状が凸部の場合、第２の形状は凸部であり、第１の形状が凹部の場合、第２の形状は凹部である。第１実施形態に係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。以下、第１の形状が凸部２５であり、第２の形状が凸部２４ａである場合を例に説明する。
図１１に示す磁壁移動型磁気記録素子１０２では、磁気記録層２０の凹凸構造２４のうち、第２の形状の凸部２５（以下では第１凸部２５と呼ぶ）は、ｘｚ断面において、第１の形状の凸部２４ａと比べて、磁気記録層の延在方向（ｘ方向、第１の方向）に大きい。したがって、第１凸部２５は、他の凸部２４ａより体積が大きいため、生み出す磁場強度が大きく、他の凸部２４ａより強く磁壁２１の動きを制限することができる。ｚ方向からの平面視において、第１凸部２５の少なくとも一部は、第１強磁性層１０より内側に位置し、かつ第1強磁性層１０の端面と重なっている。第１強磁性層１０の端面が傾斜する場合は、端面のいずれかの部分と重なっていればよい。当該平面視において、第１凸部２５の全体が、第１強磁性層１０より内側に位置し、かつ第１強磁性層１０の端面と重なっている場合には、磁壁２１の移動範囲が第１強磁性層１０と重なる範囲内に制御される。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２０の磁化状態の違いにより抵抗値が変化する。磁壁２１が第１強磁性層１０と重ならない位置を動いても、抵抗値変化は生じない。すなわち、磁壁２１の移動範囲を制御することで、磁壁２１が抵抗値変化に影響を及ぼさない部分に至ることを抑制できる。また磁壁２１の移動範囲を規定することで、磁壁移動型磁気記録素子１０２の抵抗値変化の範囲を指定できる。
図１２に示す磁壁移動型磁気記録素子１０３では、磁気記録層２０の凹凸構造２４のうち、第２形状の凸部２６（以下では第２凸部２６と呼ぶ）は、ｘｚ断面において、第１形状の凸部２４ａと比べて、磁気記録層の厚み方向（ｚ方向）に大きい。したがって、第２凸部２６は、他の凸部２４ａより体積が大きいため、生み出す磁場強度が大きく、他の凸部２４ａより強く磁壁２１の動きを制限することができる。ｚ方向からの平面視において、第２凸部２６の少なくとも一部は、第１強磁性層１０より内側に位置し、かつ第１強磁性層１０の端面と重なっている。従って、磁壁２１の移動範囲を制御でき、磁壁２１が抵抗値変化に影響を及ぼさない部分に至ることを抑制できる。また磁壁２１の移動範囲を規定することで、磁壁移動型磁気記録素子１０３の抵抗値変化の範囲を指定できる。
ここでは、第２の形状の凸部２５、２６と第１の形状の凸部２４ａとの体積を比較したが、ｘｚ断面における第２の形状の凸部２５、２６と第１の形状の凸部２４ａとの面積で比較をしてもよい。ｘ方向の磁場強度の違いが、磁壁２１のｘ方向の移動を制御する。そのため、体積が一定の場合でも、ｘｚ断面における第２の形状の凸部２５、２６と第１の形状の凸部２４ａとに違いがあれば、磁壁２１の移動範囲を制限できる。
第３実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１０２、１０３では、第１凸部２５、第２凸部２６のように他の凸部より大きい凸部の位置において、トラップ機能を局所的に強めることができ、その近傍での磁壁２１の移動速度を大きく変化させることができる。そのため、磁壁２１を移動させながら電気抵抗等を連続的に測定した際に、測定データに変化点が生じることになり、この変化点から、第１強磁性層１０下における磁壁２１の位置を検出することが可能となる。
磁壁移動型磁気記録素子１０２、１０３の抵抗値変化は、磁壁２１が第１強磁性層１０と当該平面視で重なる位置に存在する場合に生じる。トラップ機能が強い第２形状の凹部または凸部は、記録部６０の積層方向Ｌからの平面視において、第１強磁性層１０と重なる位置にあることが好ましい。また第２形状の凹部又は凸部は、ｘ方向における第１強磁性層１０の端部より内側に配置されていることが好ましく、第１強磁性層１０の端部と重なっていることがより好ましい。第１強磁性層１０のｘ方向の両端と重なる位置に、トラップ機能が強い第２形状の凹部または凸部がある場合、抵抗値変化の上限と下限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１０２、１０３のデータの信頼性を高めることができる。
ここまで、磁壁移動型磁気記録素子１０２、１０３の断面において、凸部の形状を変化させることについて説明したが、例えば、積層方向Ｌからの平面視形状において凸部の形状を変化させてもよい。また、形状を変化させる以外の方法として、例えば、一部の凹部内にのみ、第２実施形態で示したトラップ補強部材９０を設けた場合にも、凸部の形状を変化させた場合と同様の効果を得ることができる。さらに、全ての凹部内にトラップ補強部材９０を設け、一部の凹部内に設けるトラップ補強部材９０のみ、相対的にトラップ機能の強い材料からなるものとする場合にも、同様の効果を得ることができる。
「第４実施形態」
図１３は、第４実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の断面模式図である。図１３に示す磁壁移動型磁気記録素子１０４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実施形態に係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。なお、第４実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の構成は、第１〜第３の実施形態のいずれの素子に対しても適用することができる。
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の磁気状態が磁気記録層２０の磁化状態と同一になり、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の磁気状態が磁気記録層２０の磁化状態と反対になる。
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１０４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１０４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が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実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１０４においても、第１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１０４のＭＲ比をより高めることができる。
「第５実施形態」
図１４は、第２実施形態に対し、「記録部６０を複数有する構成」を加えた第５実施形態に係る、磁壁移動型磁気記録素子１０５の平面模式図である。図１４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０５は、記録部６０を複数有する点が、図８に示す磁壁移動型磁気記録素子１０１と異なる。第２実施形態に係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。なお、第５実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子１０５の構成は、他の実施形態のいずれの素子に対しても適用することができる。
図１４に示す磁壁移動型磁気記録素子１０５は、ｘ方向（第１の方向）に略平行に延在する複数の記録部６０を有する。複数の記録部６０は、それぞれｘ方向と交差する第２の方向（図１４ではｙ方向）に所定の間隔を空けて並ぶ。複数の記録部６０は、ｘｙ面内に広がる制御部７５上に形成されている。またトラップ補強部材９０は、複数の記録部６０に亘って延びる。例えば、トラップ補強部材９０は、それぞれの記録部を構成する凹部２４ｂ内を連通し、磁気記録層２０をｘ方向と交差する方向に横断するように、延在している。
それぞれの記録部６０は、ｙ方向からの平面視において、それぞれの磁気記録層２０の凹凸構造２４（凸部２４ａ及び凹部２４ｂの位置）が重なるように配置されていることが好ましい。トラップ補強部材９０を、ｙ方向に直線状に形成できる。また、この場合、隣接する磁気記録層のトラップサイト間（凸部２４ａ間）の距離を揃えることができ、パルス入力に対する磁壁移動量を揃えることができる。すなわち、複数の記録部６０のそれぞれにおける磁壁２１の移動を同時に制御しやすくなる。
トラップ補強部材９０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、記録部６０ごとに発生する多値化信号を、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間の信号強度の差が小さくなる。その結果、磁壁移動型磁気記録素子１０５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、本実施形態に係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。
図１５は、第５実施形態に係る磁壁移動型磁気記録素子の変形例３を模式的に示した断面図である。変形例３に係る磁壁移動型磁気記録素子１０５Ａは、トラップ補強部材９０がライン状ではなく、ｘｙ面内に点在している点が、磁壁移動型磁気記録素子１０５と異なる。
トラップ補強部材９０は、ｘｙ面内に不規則に点在している。複数の記録部６０は、ｘｙ面内に広がるトラップ補強部材９０上にそれぞれ形成されている。トラップ補強部材９０は、複数の記録部６０に亘って、ｘｙ面内に広がる。
それぞれの記録部６０における磁壁２１は、ｘｙ面内に広がるトラップ補強部材９０によって移動が制御される。トラップ補強部材９０が不規則に点在する場合、磁壁２１の移動は、不規則になる。また磁壁２１は、ｙ方向から傾く。それぞれの記録部６０のデータ変化は、不規則化するため、磁壁移動型磁気記録素子１０５Ａはデータのアナログ記録に優れる。またトラップ補強部材９０が層をなす場合は、「トラップ補強部材９０」を「トラップ補強部材９０における凸部」として読み替えるられる。
「第６実施形態」
図１６は、第６実施形態に係る磁気記録アレイ２００の平面図である。図１６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１６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に渡って存在するように設けてもよいし、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、１本のビットラインＢＬ１〜３、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することができる。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することができる。
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
２０Ａ、７０Ａ、２８Ａ 第１面
２０Ｂ、７０Ｂ 第２面
２１ 磁壁
２２ 第１の磁区
２３ 第２の磁区
２４、７４ 凹凸構造
２４ａ、７４ａ 凸部
２４ｂ、７４ｂ 凹部
２５ 第１凸部
２６ 第２凸部
２８、２９ 磁性体
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 中間体（平坦化層）
７５ 制御部
８０ 基体
８１ 基板
８２ 下地層
９０ トラップ補強部材
９１ 絶縁層
１００〜１０５、１００Ａ、１０１Ａ、１０５Ａ 磁壁移動型磁気記録素子
２００ 磁気記録アレイ

Claims (15)

  1. 強磁性体を含む第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層に面する非磁性層と、
    前記非磁性層の前記第１強磁性層と反対側の面に面し、第１の方向に延びる磁気記録層と、
    前記磁気記録層の前記非磁性層に面する第１面と反対側の第２面に面する基体と、
    前記基体と前記磁気記録層との間に位置する中間体と、を備え、
    前記磁気記録層は、前記第２面に、凹凸構造を有し、
    前記中間体は、非磁性のトラップ補強部材であり、
    前記トラップ補強部材は、前記基体の一面に点在する、または、前記磁気記録層の前記第２面側に凹凸を有する層であることを特徴とする磁壁移動型磁気記録素子。
  2. 強磁性体を含む第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層に面する非磁性層と、
    前記非磁性層の前記第１強磁性層と反対側の面に面し、第１の方向に延びる磁気記録層と、
    前記磁気記録層の前記非磁性層に面する第１面と反対側の第２面に面する基体と、
    前記基体と前記磁気記録層との間に位置する中間体と、を備え、
    前記磁気記録層は、前記第２面に、凹凸構造を有し、
    前記中間体は、前記基体に近い位置から、トラップ補強部材と、前記トラップ補強部材を被覆する絶縁層と、を有し、
    前記トラップ補強部材は、前記基体の一面に点在する、または、前記磁気記録層の前記第２面側に凹凸を有する層であることを特徴とする磁壁移動型磁気記録素子。
  3. 前記第１面は、前記第２面より算術平均粗さが小さい、請求項１又は２に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  4. 前記凹凸構造は、前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記磁気記録層の積層方向からの平面視で、前記凹凸構造をなす凸部の頂点位置が不規則である、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。
  5. 前記トラップ補強部材の一端は、前記基体に接しており、
    前記基体の表面を構成する材料の表面エネルギーをγＡ、前記トラップ補強部材の材料の表面エネルギーをγＢとしたときに、γＢ＜γＡであり、下記（１）式で規定される表面エネルギーミスマッチΓＡＢが０．５より大きい、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。
    Figure 0006769569
  6. 前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記磁気記録層からなる記録部を複数有し、
    前記複数の記録部は、前記第１の方向と交差する第２の方向に並び、
    前記トラップ補強部材は、前記複数の記録部に亘って、同一面内に広がる、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。
  7. 前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記磁気記録層からなる記録部を複数有し、
    前記トラップ補強部材又は前記トラップ補強部材における凸部は、前記複数の記録部に亘って、前記第１の方向と交差する第２の方向に延在する、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。
  8. 前記凹凸構造は、前記第１の方向に、周期性を有する、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。
  9. 強磁性体を含む第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層に面する非磁性層と、
    前記非磁性層の前記第１強磁性層と反対側の面に面し、第１の方向に延びる磁気記録層とを備え、
    前記磁気記録層は、前記非磁性層に面する第１面と反対側の第２面に、凹凸構造を有し、
    前記凹凸構造は、第１形状の凹部又は凸部と、前記第１形状より体積が大きい第２形状の凹部又は凸部と、を有し、
    前記第２形状の凹部または凸部は、前記第１強磁性層、前記非磁性層及び前記磁気記録層の積層方向からの平面視において、前記第１強磁性層の端面と重なる位置にあることを特徴とする磁壁移動型磁気記録素子。
  10. 前記第２形状の凹部または凸部は、前記第１形状の凹部または凸部より前記第１の方向に大きい、請求項９に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  11. 前記第２形状の凹部または凸部は、前記第１形状の凹部または凸部より前記積層方向に大きい、請求項９又１０に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  12. 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１〜１１のいずれか一項に記載の磁壁移動型磁気記録素子。
  13. 強磁性体を含む第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層の一方の側に積層され、積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を有し、前記第１強磁性層と反対側に、前記磁壁をトラップする凹凸構造を有する磁気記録層と、
    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積層され、前記磁気記録層の凹凸構造を平坦化する平坦化層と、前記磁気記録層の前記非磁性層に面する第１面と反対側の第２面に面する基体と、を有する制御部と、を備え、
    前記平坦化層は、非磁性のトラップ補強部材であり、
    前記トラップ補強部材は、前記基体の一面に点在する、または、前記磁気記録層の前記第２面側に凹凸を有する層であることを特徴とする磁壁移動型磁気記録素子。
  14. 強磁性体を含む第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層の一方の側に積層され、積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を有し、前記第１強磁性層と反対側に、前記磁壁をトラップする凹凸構造を有する磁気記録層と、
    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積層され、前記磁気記録層の凹凸構造を平坦化する平坦化層と、前記磁気記録層の前記非磁性層に面する第１面と反対側の第２面に面する基体と、を有する制御部と、を備え、
    前記平坦化層は、前記基体に近い位置から、トラップ補強部材と、前記トラップ補強部材を被覆する絶縁層と、を有し、
    前記トラップ補強部材は、前記基体の一面に点在する、または、前記磁気記録層の前記第２面側に凹凸を有する層であることを特徴とする磁壁移動型磁気記録素子。
  15. 強磁性体を含む第１強磁性層と、
    前記第１強磁性層の一方の側に積層され、積層方向と交差する第１の方向に延在し、磁壁を有し、前記第１強磁性層と反対側に、前記磁壁をトラップする凹凸構造を有する磁気記録層と、
    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積層され、前記磁気記録層の凹凸構造を平坦化する平坦化層を有する制御部と、を備え、
    前記凹凸構造は、第１形状の凹部又は凸部と、前記第１形状より体積が大きい第２形状の凹部又は凸部と、を有し、
    前記第２形状の凹部または凸部は、前記積層方向からの平面視において、前記第１強磁性層の端面と重なる位置にあることを特徴とする磁壁移動型磁気記録素子。
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