JPWO2010007695A1 - スピンバルブ素子及びその駆動方法並びにこれらを用いる記憶装置 - Google Patents

スピンバルブ素子及びその駆動方法並びにこれらを用いる記憶装置 Download PDF

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Abstract

スピンバルブ素子において多値記録を行うために、絶縁体層２４または非磁性層５１を挟み、保磁力が互いに異なっている１対の強磁性層２３，２５を有するスピンバルブ素子であって、保磁力が弱い強磁性層２５の面内形状を概ね円形にして、複数の島状非磁性部ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳを設けるスピンバルブ素子１を得る。また、そのようなスピンバルブ素子を用いて記憶装置１０を作製する。

Description


本発明は、強磁性層の磁化分布を制御して、情報の書込み、読出しができるスピンバルブ素子、その駆動方法、並びにこれらを用いる記憶装置に関する。
従来、近年、ナノエレクトロニクスの進展に伴い、微小サイズの磁性材料固有の物理現象を応用した製品の開発が進められている。特に、磁性材料の自由電子が持つスピンを利用する分野（以下、「スピンエレクトロニクス」という）が急速に発展している。
このスピンエレクトロニクス分野の中で、現在最も実用可能性が高いと見られているのは、強磁性層／絶縁層／強磁性層という積層構造において生じるトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果、または強磁性層／非磁性層（導電層）／強磁性層という積層構造において生じる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を応用したスピンバルブ素子である。なお、層の間に記載した斜線（／）の記号は、その前後の層がその順に積層されていることを示している。
図１、２にスピンバルブ素子の従来の構成例を示す。このうち図１にはＴＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す。これは、基板５の上に構成された、１層の絶縁体層２４と、該絶縁体層を挟む１対の強磁性層２３（固定層）および２５（自由層）と、電極層２１および２７とからなっており、必要に応じて、反強磁性層（ピン止め層）２２、キャッピング層２６などが付加される。固定層２３の磁化は反強磁性層２２との磁気結合などにより固定されている。自由層２５の磁化は、外部磁界、もしくは偏極電流によるスピン注入により制御される。
このうちスピン注入による制御においては、この素子に固定層２３から電子を流すと、自由層２５のスピンには固定層２３と平行となるようなトルクが働く。また、また逆に自由層２５から固定層２３に向かって電子を流すと自由層２５のスピンには固定層２３と反平行となるようなトルクが働く。この作用により、自由層２５の磁化方向を電流の向きにより制御することが可能となる（スピン注入磁化反転）。
このようにして、自由層と固定層の磁化の向きが、外部磁界または偏極電流によるスピン注入に応じて回転または反転することにより、双方の磁化の向きに応じて、素子の抵抗が大きく変化する。即ち、双方の磁化ベクトルが互いに反平行のときに、最も高い抵抗値が得られ、双方の磁化ベクトルが平行のときに、最も低い抵抗値が得られるように素子が構成されている。
図２にはＧＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す。図１のＴＭＲを利用した素子との違いは絶縁体層２４が非磁性層５１に置き換わっている点であり、それ以外の機能は基本的に同じである。
これらの素子を用いて、１素子当り１ビットの情報を記録する固体磁気メモリが提案されており、さらに、１素子あたり２ビットの情報を記録できる多値記録技術も提案されている。なお、１ビットでは２つの状態（２値）が記録でき、２ビットでは、４つの状態（４値）が記録できる。
特開平１０−９１９２５号公報 特開２００３−３１７７１号公報 特開２００７−３１７８９５号公報 特表２００５−５３５１１１号公報 Ｍ． Ｒａｈｍ ｅｔ ａｌ．，"Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｐｏｉｎｔ ｄｅｆｅｃｔｓ ｏｎ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｖｏｒｔｅｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ"、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ、 Ｖｏｌ． ９５， ６７０８、 Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、 Ｊｕｎｅ １， ２００４ Ｂ． Ａ． Ｉｖａｎｏｖ ｅｔ．ａｌ．、 "Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｉｎ Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｂｙ Ｓｐｉｎ−Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎ Ｖｏｒｔｅｘ Ｓｔｅｔｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｉｓｋｓ" Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ． Ｎｏ． ９９、 ２４７２０８、 Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、 Ｄｅｃｅｍｂｅｒ １４、 ２００７ Ｊ． Ｓｈｉｂａｔａ ｅｔ．ａｌ．、 "Ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｄｕｃｅｄ ｍａｇｎｅｔｅｉｃ ｖｏｒｔｅｘ ｍｏｔｉｏｎ ｂｙ ｓｐｉｎ−ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｏｒｑｕｅ"、 Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ．、 Ｎｏ． ７３、 ０２０４０３、 Ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ、 Ｊａｎｕａｒｙ ４、 ２００６
しかしながら、従来の多値記録技術には様々な課題があり実現には到っていない。例えば、特許文献１（特開平１０−９１９２５号公報）においては、強磁性層／第１の絶縁層（または第１の非磁性層）／強磁性層／第２の絶縁層（または第２の非磁性層）／強磁性層という積層構造を有する二重トンネル接合素子を形成することによって、１素子あたり２ビットの情報を記録できる多値記録技術による固体磁気メモリが提案されている。この固体磁気メモリでは、素子の構造に多重構造が必要となり、強磁性層／第１の非磁性層／強磁性層という積層構成と強磁性層／第２の非磁性層／強磁性層という積層構成との間において、各強磁性層間で検出される出力電圧のレベルを区分けして検知する。このために、特許文献１の固体磁気メモリでは、当該固体磁気メモリに含まれる二つの積層構成のうちの少なくとも一方が示す磁気抵抗比を、強磁性層／非磁性層／強磁性層という一重トンネル接合のＴＭＲ素子が示す磁気抵抗比（他方のＴＭＲ素子）よりも大きくしなければ、十分なＳ／Ｎ比を確保することができないという問題がある。
また、特許文献２（特開２００３−３１７７１号公報）では、非磁性層を介して２つの強磁性層を積層し、それぞれの強磁性層の磁化方向が互いに直交するように形成し、それらの組合せにより、各強磁性層に１ビット、両方で計２ビット４状態を互いに独立して記憶させる方法が開示されている。この手法では、多重構造が必要であり、また、それぞれの強磁性層に対して順方向と逆方向の２方向、合わせて４方向の磁界を生成することにより外部磁界によるスイッチングを行う必要があるという問題がある。
さらに、特許文献３（特開２００７−３１７８９５号公報）では、自由層に２つの待機部を隣接させ、それぞれの待機部に対応して磁壁をピン止めするノッチを有する構造が開示されている。この手法では、待機部分だけ横方向の面積が大きくなるため、多値記録を実現しても記録密度が向上しないという問題がある。
そして、特許文献４（特表２００５−５３５１１１号公報）では、自由層の形状異方性により複数の安定位置を有する自由層が開示されているが、形状異方性を導出するために形状が歪（いびつ）となり反転磁界が大きくなるという問題を有している。
また、非特許文献１には、円形磁性膜に直線状に“欠陥”を配置してこの欠陥に磁化の渦（ｖｏｒｔｅｘ）が位置するようにし、いずれの欠陥に磁化の渦が位置するかを外部磁界により制御することにより、複数の磁性状態が実現される事を開示している。しかし、この開示によれば、記録点である“欠陥”が直線状の並びに限定されているため、実質的に記録点密度を上げる事が困難である。また、非特許文献１は、簡便な読み取り機能を備えたスピンバルブ素子としての構成について言及していない。
本発明は、上記課題の少なくともいずれかを解決すること、すなわち、多重構造など複雑な構造を用いることなく、高い記録密度が可能な多値記録のスピンバルブ素子と、その駆動方法、およびそのようなスピンバルブ素子を用いる記憶装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明においては、絶縁体層または非磁性層を含む中間層と該中間層を挟む１対の強磁性層とを備え、該１対の強磁性層の保磁力が互いに異なっているスピンバルブ素子であって、少なくとも保磁力が小さい強磁性層は、面内形状が概ね円形にされ、複数の島状非磁性部を有している、スピンバルブ素子が提供される。
本発明においては、前記島状非磁性部が概ね円形の面内形状を有することを特徴とすると好適である。
また、本発明においては、前記複数の島状非磁性部が、スピンバルブ素子外形の中心と概ね同じ位置に中心を有する同心円上に配置されることを特徴とすると好適である。
さらに、本発明においてはスピンバルブ素子の駆動方法も提供される。すなわち、本発明においては、保磁力が小さい強磁性層に面内磁界を印加し、渦状磁化の渦の位置を、ある島状非磁性部から他の島状非磁性部へ移動させることを特徴とする駆動方法が提供される。
また、本発明の駆動方法においては、さらに前記面内磁界の方向は、２つの島状非磁性部を通る方向とは一致しないことを特徴とすると好適である。
そして、本発明においては、他の態様のスピンバルブ素子の駆動方法も提供される。すなわち、上記いずれかに記載のスピンバルブ素子を駆動する駆動方法であって、保磁力が小さい強磁性層に垂直磁界を印加することにより渦状磁化の渦を移動させて、当該渦の位置を、ある島状非磁性部に位置する状態から、他の島状非磁性部に位置する状態へと回転するように移動させることを特徴とするスピンバルブ素子の駆動方法が提供される。さらに、上記いずれかに記載のスピンバルブ素子を駆動する駆動方法であって、保磁力が小さい強磁性層に保磁力が大きい強磁性層からスピンを注入するよう電流を流すことにより渦状磁化の渦を移動させて、当該渦の位置を、ある島状非磁性部に位置する状態からその隣の島状非磁性部に位置する状態へと回転するように移動させることを特徴とするスピンバルブ素子の駆動方法が提供される。
本発明においては、記憶装置も提供される。すなわち、上記いずれかに記載のスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置が提供される。
本発明のいずれかの実施形態によれば、多重構造など複雑な構造を用いず、高い記録密度が可能であり、スピン注入磁化反転を利用する際に単極性のパルスによって多値記録が可能なスピンバルブ素子を実現する、という少なくともいずれかの効果を奏する多値記録可能なスピンバルブ素子を提供することができ、また、このようなスピンバルブ素子を用いる記憶装置を実現することができる。
ＴＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図。 ＧＭＲを利用したスピンバルブ素子の基本構成部分を示す断面図。 本発明のスピンバルブ素子における、面内形状の１例を示す説明図。 渦状磁化構造の説明図。（ａ）立体図、（ｂ） 磁化を矢印で示した平面図。 本発明で得られたスピンバルブ素子における磁化分布の説明図。（ａ）立体図、（ｂ） 磁化を矢印で示した平面図。 本発明のスピンバルブ素子に、スピンバルブ素子の面内対称軸と一致する方向に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例を示す説明図。 本発明のスピンバルブ素子に、スピンバルブ素子の面内対称軸と一致しない方向に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例を示す説明図。（ｗ方向に約６°傾斜） 。 本発明のスピンバルブ素子における、外部磁界と渦の安定点の関係を示す説明図。 本発明のスピンバルブ素子に、スピンバルブ素子の面内に対し垂直方向に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例を示す説明図。 本発明におけるスピンバルブ素子の磁化分布の説明図。（ａ）自由層、（ｂ） 垂直磁化異方性を持つ固定層、（ｃ）面内磁化異方性を持つ固定層。 本発明における、スピン注入型スピンバルブ素子の構造例を示す説明図。（ａ）垂直磁化書込み用固定層と面内磁化読出し用固定層を持つ構造例、（ｂ）面内スピン注入用電極と面内磁化固定層を持つ構造例。 本発明のスピンバルブ素子を用いる記憶装置の構成を示す説明図。
符号の説明
５ 基板
２１ 電極層
２２ 反強磁性層（ピン止め層）
２３ 強磁性層（固定層）
２４ 絶縁体層
２５ 強磁性層（自由層）
２６ キャッピング層
２７ 電極層
３０ 絶縁層
３１ 配線
５１ 非磁性層
ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳ 島状非磁性部
Ａ 円（同心円）
本発明のスピンバルブ素子においては、スピンバルブ素子の面内形状を概ね円形とし、その面内に複数の非磁性の島状の領域（以下島状非磁性部）を形成する。面内形状を概ね円形として島状の非磁性部を複数設けることにより、本発明のスピンバルブ素子は、書き込み時の形状異方性を小さくして記録磁界を低減するとともに、自由層面内の磁化パターンの渦（以下、渦という）をいずれかまたはいくつかの島状ドットに固定する状態を実現する。
こうして、本発明のスピンバルブ素子においては多値記録を実現させることができる。かかる構成によれば、自由層の磁化分布には、導入した島状非磁性部の数だけの安定状態が存在するようにすることができ、多値記録が可能なスピンバルブ素子を簡単な構成により実現することができる。より具体的には、自由層に生じた渦を島状非磁性部に固定し、外部磁界印加、もしくはスピン注入によりこの渦を島状非磁性部の間を移動させる。こうして、いずれの島状非磁性部に渦が固定されるかを制御するように書き込みを行い、スピンバルブ構造を利用して、渦を固定化している島状非磁性部がいずれであるかを読み取ることを可能とする。
特に、前記複数の島状非磁性部を、スピンバルブ素子外形と中心を同じとする同心円上に配置することにより、スピンバルブ素子面内での島状非磁性部の密度を一直線上にのみ配置するよりも高くし、かつ後述する手段による渦の蛇行運動や回転運動を利用することが可能となる。
なお、本発明の島状非磁性部は、典型的には円形のドット状のものとすることができる。微小なサイズのスピンバルブ素子の磁性層を非磁性部とするためには、島状の形状は何らかの物質の拡散や熱の拡散などの現象を利用してパターンを形成することが有効であり、そのため、円形の形状とすることにより作製が容易になる。
また、前述のように、本発明においては、渦が島状非磁性部のいずれかに固定されることを利用するものである。以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
本発明の実施形態の一例を図３に示す。自由層を構成する磁性膜の面内形状の基本形は円であり、その内部に島状非磁性部となる円形ドットである４つの島状非磁性部ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳが、磁性膜２５の外形の円と同心円をなす円Ａの円周上に形成されている。この島状非磁性部ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳとしては、磁性膜の領域の中に、非磁性を示す任意の物質の領域または非磁性を示すようになっている領域が島状の部分を形成している任意のものを含み、例えば、その部分のみの膜材料が周囲の磁性膜と異なるようにして非磁性を示すようにした領域、膜に空隙を形成して非磁性材料を埋め込んだ領域、材料は周囲の磁性膜と同じであるが局所的に熱プロセスを変更して膜の磁気的性質を変更して非磁性層とした領域などを含む。また、図３においては円形のドットによって島状非磁性部ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳを記載しているが、この形状は厳密に円形である必要はない。本発明においては、島状非磁性体部が設けられるのは、少なくとも自由層、すなわち、典型的には２つ設けられる強磁性層の保磁力が小さいほうの層であり、自由層のみならず、自由層の島状領域に相当する非磁性層（絶縁層）や固定層などの領域も非磁性層とすることができる。
また、図４は、円形の面内形状を有するが島状の非磁性部を持たない構成における渦の磁化分布を比較のために示したものである。渦構造の中心では、図４（ｂ）に示すように面内での磁化分布は互いに反平行となって交換エネルギーが増大するので、この交換エネルギーの増大を小さくするため、図４（ａ）に示すように磁化は垂直方向に立上る。これに対し、島状非磁性部ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳを用いる本発明において得られた周辺の磁化分布の詳細は、図５に示すようになる。すなわち、渦の中心がいずれかの島状非磁性部（例えば、島状非磁性部ＩＥ）に位置し、あたかも島状非磁性部ＩＥが渦を固定しているような磁化分布（図５（ｂ））となり、図５（ａ）に示すように、図４に見られた中心の垂直配向磁化部が解消されている。前述のように、渦の中心では、交換エネルギーを補償するために静磁エネルギーが大きくなっているが、渦が島状非磁性部に固定されると、その部分が解消されるので、エネルギー的に低く、渦がいずれかの島状非磁性部に固定されている状態が比較的安定した状態となるものと推定される。
一般に、渦の大きさは、磁性材料の交換相互作用の有効距離の目安である交換相互作用距離Ｌを基準として表わされる。即ち、磁化が垂直方向に立上る渦中心の大きさは、おおよそ交換相互作用距離Ｌ程度と考えられている。Ｌは下式で表わされる。
Ｌ＝（μ０Ａ／Ｍｓ２）０．５
ここで、Ａは交換スティフネス定数（Ｊ／ｍ）、Ｍｓは飽和磁化（Ｔ）、μ０は真空透磁率＝１．２５７ｘ１０−６（Ｈ／ｍ）である。
島状非磁性部の実効的な直径寸法がＬより小さいと、島状非磁性部が渦を固定化する作用が小さくなり、本発明の効果は小さくなる。
また、島状非磁性部の実効的な直径寸法が渦全体の寸法と同程度となると、島状非磁性部の周辺での磁気相互作用が小さくなり、渦構造が維持されにくくなる。この効果による島状非磁性部の実行的な直径寸法の上限は、おおよそ２０Ｌ程度であった。
これらのことから、状島状非磁性部の実効的な直径寸法ＤはＬ≦Ｄ≦２０Ｌとするのが好ましく、より好ましくは、６Ｌ≦Ｄ≦１８Ｌの範囲にあることが望ましい。
また、磁性膜の外形の円と同心円をなし、複数の島状非磁性部が配置される円Ａの半径Ｒについては、半径Ｒが大きくスピンバルブ磁性膜の外縁に近づくと、渦にとって位置エネルギーが大きくなるため渦が島状非磁性部に到達するのが困難となるとともに、渦が到達して固定化されたとしても固定化されるエネルギーが低いため安定性が低下する。また、該円の半径Ｒが小さいと、渦が島状非磁性部に強く固定化されてしまい移動が困難となるとともに、実質的に島状非磁性部の間の距離が制限されるので、島状非磁性部の直径寸法Ｄを大きくすることができないという不具合が生じる。
このため、複数の島状非磁性部が配置された同心円には好ましい範囲が存在し、具体的には、半径Ｒを０．２ＲＲ≦Ｒ≦０．９ＲＲとすることが好ましく、より好ましくは、０．３ＲＲ≦Ｒ≦０．６ＲＲとする。ここで、ＲＲはスピンバルブ素子の有効半径（＝（スピンバルブ素子の面積／π）０．５）を表わす。
上記のスピンバルブ素子の駆動方法としては、自由層に面内磁界を印加して、ある島状非磁性部から他の島状非磁性部へ渦を移動させることができる。一般に渦は磁界と垂直な方向に移動するが、この際、特に、該面内磁界の方向を、２つの島状非磁性部を含む方向（磁性膜面対称軸）とは一致させないことにより、渦の運動に横方向の振動を加え、全体としては蛇行運動させることにより、１軸の磁場で２次元の運動を誘起して、磁性体面内に２次元に分布した島状非磁性部の間での移動を実現できる。
また、スピンバルブ素子の自由層への垂直磁界の印加や、偏極電流によるスピン注入により渦を回転運動させることが可能であり、これにより、円Ａの円周上にある島状非磁性部の間を移動させることができる。
図３に示した本発明の一例においては、自由層２５を構成する磁性膜の面内形状の基本形は円であり、その内部に４個の島状非磁性部ＩＮ、ＩＥ、ＩＷ、ＩＳが磁性膜と同心円の円周上に形成されている。以下の説明では、磁性膜の材料は、表１の材料１のＣｏ５７Ｆｅ３１Ｂ１２とし、磁性膜寸法は直径１００ｎｍ、厚さ２０ｎｍ、また、島状非磁性部として、半径２８ｎｍの同心円の円周上に、直径２０ｎｍの中空孔を４個形成したものとする。なお、説明の便宜上、磁性膜内での方向を、図３の右部のようにＥ，Ｓ，Ｗ，Ｎで定義し、島状非磁性部の添え字としている。
Figure 2010007695
［書き込み動作］
このような磁性膜における安定な磁化状態は、例えば、図６に示すように、渦がある島状非磁性部（図６ではＩＥ）に固定されているものである。この安定な磁化状態にある磁性膜に対して面内外部磁界を例えば図示したようにＳ方向に印加すると、磁化分布は図６に示すように外部磁界と垂直に移動して島状非磁性部ＩＷに移動する。移動方向は、渦の回転方向が時計廻りか反時計廻りか（すなわち渦のｃｈｉｒａｌｉｔｙ）と外部磁界方向との相対的関係により決定される。上記例では回転方向は時計廻りであり、渦の移動は島状非磁性部ＩＥから島状非磁性部ＩＷに向かう方向となる。
次に、図７には、面内外部磁界をＳ方向からＷ方向に向かって約６°向きを変えた場合の磁化分布の変化を示す。このような外部磁界を用いると、当初、ＩＥ位置の島状非磁性部に固定されていた渦は、ＩＥ→ＩＳ→ＩＮ→ＩＷと順に移動して、最終的に島状非磁性部ＩＷに固定される。このように、渦は、面内外部磁界を印加すると、基本的には面内外部磁界の方向とは垂直の方向に移動するが、磁界方向を２つの面内ドットを含む方向の磁性膜面対称軸からずらすことにより、主移動方向への直線運動に加えて、それに垂直な方向に振動運動が誘起され、全体としては蛇行運動となって、一直線上にない島状非磁性部への移動が可能となる。図７に示したのは面内外部磁界が充分大きな場合であるが、外部磁界の強さや印加時間を調整することによって移動途中の島状非磁性部ＩＳ、ＩＮに対して渦を固定することも可能である。このように、島状非磁性部ＩＳ、ＩＮを通る方向と一致しない向きの面内磁化を用いることにより、渦を固定することができる島状非磁性部を増やすことができる。
図８には、図７と同じスピンバルブ素子において、外部磁界パルスのピーク値と、パルス終了後に固定される島状非磁性部の位置の関係を示す。この時、渦の移動はＩＥ→ＩＳ→ＩＮ→ＩＷという１方向になるので、４つの島状非磁性部の間の相互移動（例えばＩＮ→ＩＥ）を可能にするには、逆方向の磁界（磁界の反転）か、直交する磁界の印加が必要となる。即ち、２方向の磁界があれば、４つの島状非磁性部の間を自在に移動させることが可能となる。なお、図８のグラフの縦軸のＣは磁性膜２５の面内形状の中央に渦がある場合を示し、また、／／は磁化の渦が消失して平行な磁化となっている場合を示す。
また、図９には、外部磁界を磁性膜に対し垂直方向に印加した場合を示す。この場合、渦は回転運動し、ＩＥからＩＮへ移動している。このように１パルスにより隣同士の島状非磁性部の間の移動を一回行うようにすることができるので、このようなパルスを続けて印可することにより渦を円Ａの円周上を回転するように移動させ、任意の島状非磁性部に位置させることが可能である。単極性の電流を用いて、単一の回転方向（上記の例では反時計廻り）での動作も可能であるし、両極性の電流を用いて回転方向を逆転しての動作も可能である。
図９のような渦の回転は、上記のように、垂直磁界の印加の他、垂直磁化異方性を持つ固定層からのスピン注入（非特許文献２）や、自由層面内電流でのスピン注入（非特許文献３）によって行うことも可能である。渦の回転運動による島状非磁性部間の移動においては、渦が隣接にした島状非磁性部に順次移動することとなり、前述のように、単極性の電流によってすべての島状非磁性部への移動が可能であるので、特に好ましく用いられる。
また、渦の磁化は、ある閾値電流を超えると磁性膜に対して反転することが知られている。この現象を用いれば、記録状態はさらに２倍化することが可能である。
また、このように外部磁界により自由層の磁化分布を変化させても、固定層は保磁力が高いので、その磁化分布は変化しないようにすることが可能である。このため、自由層の磁化分布のみを制御することによってスピンバルブ素子の電気抵抗を制御することが可能となり、多値の記録を行うことができる記録素子が実現する。
［読み出し動作］
一方、自由層の渦の位置を読み取るためには、面内磁化異方性を持つ固定層と自由層との間での磁気抵抗を検出することが必要である。図１０に読み出し動作を説明するための磁化の配置を記載している。図１０（ａ）に示すように自由層が渦の有る磁化配置となっていてその渦がいずれの島状非磁性部に固定されていたとしても、図１０（ｂ）のような垂直磁化異方性を持つ固定層との間では磁気抵抗に差は生じないが、図１０（ｃ）のような面内磁化異方性を持つ固定層との間では、渦がいずれの島状非磁性部に固定されるかにより磁気抵抗が異なり、それにより渦位置を検出することが可能である。この時、固定層の磁化方向が図１０（ｃ）の一点鎖線Ｍ１によって示したような対称軸と一致すると、渦が４つの島状非磁性部のうちＩＥとＩＳにあるときの磁気抵抗が互い等しくなり、ＩＮとＩＷにあるときの磁気抵抗が、ＩＥとＩＳにあるときの磁気抵抗とは異なった値で互いに等しくなる。したがって、２値の記録のみが可能となる。また、固定層の磁化方向が図１０（ｃ）の一点鎖線Ｍ２によって示したような対称軸と一致すると、渦が４つの島状非磁性部のうちＩＮとＩＳにあるときの磁気抵抗が互い等しくなり、ＩＥにあるときの磁気抵抗およびＩＷにあるときの磁気抵抗とで３値の記録のみが可能となる。この場合も本発明の効果は保持されるが、多値記録の効果を縮減させないためには、固定層の磁化方向を固定層面内形状の対称軸と一致させないことが好ましい。なお、上記一点鎖線Ｍ１およびＭ２に等価な対称軸は、一点鎖線Ｍ１およびＭ２のほかに各３本ある。
上記より、垂直磁化異方性を持つ固定層（図１０（ｂ））からのスピン注入により自由層の渦の移動をさせる場合は、磁気抵抗の読み取りのための面内磁化異方性をもつ読み取り用固定層を設ける必要がある。図１１に、本発明の実施形態における、スピン注入型スピンバルブ素子の構造例を示している。このうち図１１（ａ）は垂直磁化書込み用ピン層と面内磁化読出し用ピン層を持つ構造例であり、図１１（ｂ）は面内スピン注入用電極と面内磁化ピン層を持つ構造例である。図１１（ａ）に示すように、垂直磁化異方性を持つ書込み用固定層（垂直磁化固定層）２３Ａと面内磁化異方性をもつ読み取り用固定層（面内磁化読出用固定層）２９とによって面内磁化自由層２５Ａを挟んだ直列構造を用いることができる。また、自由層の面内電流によってスピン注入による渦の回転移動を利用する場合には、図１１（ｂ）に示すように、自由層面内電流用端子としての書込み用電極（面内電流用電極）３２Ａ、３２Ｂを持つ構造が考えられる。
特に、渦がいずれの島状非磁性部に固定化されるかは、印加される外部磁界の強さや時間で制御することが可能である。これにより、島状非磁性部の数と同じ数の安定状態が実現され、多値記録素子を実現することができる。更に重要な特長は、上記のスピン注入による回転運動を用いれば、一方向の電流で、どの島状非磁性部へも渦が固定化が可能である点である。即ち、従来のスピンバルブ素子ではプラスマイナス両極の電流が必要であったが、本発明の素子によれば、これにより記録時に単極の電流のみでの素子駆動制御が可能となる。
［素子の作成手順］
ＴＭＲ方式のスピンバルブ素子の作製手順例を以下に示す。以下であげる各層の材料、膜厚は一例である。酸化膜付きのシリコンウエファ等の基板５上に、電極層２１としてＣｕ薄膜（３０ｎｍ）を形成し、その後、強磁性層２３としてＣｏＦｅＢ （３５ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．６ｎｍ）、強磁性層２５としてＣｏＦｅＢ（２０ｎｍ）、キャッピング層２６としてＣｕ（２ｎｍ）を順次積層する。さらに、ネガレジストを塗布し、電子線露光などによりパターニングを施し、イオンミリング、もしくはドライエッチにより島状非磁性部として円形ドットを持つ円形形状のスピンバルブ素子を形成する。特に微細な円形ドットの加工で電子線露光では解像度が不十分な場合には、極端紫外線露光によるパターニングも必要である。さらにＣＶＤ法等によりＳｉＯ２膜を形成して円形形状のスピンバルブ素子の側面を被覆した後、スピンバルブ素子上のレジストをリフトオフにより除去し、上部電極を形成する。その後、数ｋＯｅ程度の磁場中、３５０〜５００℃でアニールを行うことで固定層の磁化容易軸を決定する。また特に、図１１（ａ）のような読み取り用固定層を形成する場合には、強磁性層２３として垂直磁化配向となりやすいＴｂＦｅＣｏを用い、強磁性層２５を成膜後、更にＭｇＯ層と読み取り用固定層としてＣｏＦｅＢ（２０ｎｍ）を形成する他は同様のプロセスを行えばよい。またＧＭＲ方式のスピンバルブ素子の場合は、絶縁体層２４に変わって、Ｃｕなどの非磁性層５１が用いられる他は、基本的には同様の作製手順が用いられる。
本発明のスピンバルブ素子を構成する材料としては、基板５としてはシリコン基板、ガラス基板が可能であり、またヒートシンクとしての機能が高い銅基板も可能であり、必要に応じてこれらを水冷などの方法で冷却することも可能である。電極層２１、２９、３１としてＴａ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏ、反強磁性層２２として、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎ、強磁性層２３（固定層）としては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢや、垂直異方性の得やすいＴｂＦｅ、ＴｂＦｅＣｏ、ＧｄＦｅ、ＧｄＦｅＣｏ、ＦｅＰｔ、Ｃｏ／Ｐｔ多層積層構造、Ｃｏ／Ｐｄ多層積層構造などが好適であり、読み取り用固定層としては、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、絶縁層２４として、ＭｇＯ、Ａｌ酸化物、非磁性層５１としてＣｕ、強磁性層２５（自由層）としては、一般に用いられるＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢの他、結晶異方性の小さいＮｉＦｅが好適であるが、これに限定されるものではない。また、キャッピング層２７の材質としてはＣｕ、Ｐｄが代表例としてあげられるが、これに限定されるものではない。また、円形ドットは非磁性材料で有れば使用可能であるが、上記のように、スピンバルブ磁性層をパターニングして中空とし、ＳｉＯ２などの絶縁物を充填するのが最も簡便である。
スピンバルブ素子として機能を発現するには、強磁性層２３（固定層）の保持力を強磁性層２５（自由層）より大きくすることが必要である。この方法としては、強磁性層２３（固定層）と強磁性層２５（自由層）の材質を同じにして、前者の膜厚を後者の膜厚より大きくすることにより保磁力差をつけることが行われている。また、反強磁性層（ピン止め層）２２を付与し、それとの反強磁性結合で強磁性層２３（固定層）の保持力を高くすることも行なわれている。また必要に応じて、例えばＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅＢなど反強磁性結合膜とすることも可能である。固定層を含む各層の結晶性や磁化容易軸方向は、これらを積層後、磁場中アニールを施すことで制御される。
上記に示した例を含め、解析例を表２に示す。磁性材料は表１に示した３つとし、自由層の寸法は表２に示すものとした。外部磁場、スピン注入は、ともに立上り１ｎｓ、立下り１ｎｓの単一三角波パルスとした。なお、表２においては、渦の運動を方位（Ｓ，Ｗ，Ｅ，Ｎ）のみによって示している。
解析例１〜１２のいずれの場合も、外部磁界パルス、もしくはスピン注入パルスにより渦は円形ドットから別の円形ドットへ移動し、かつパルス終了も移動先の円形ドットに安定に固定されていた。このうち、解析例３，５，６，１２では３つの円形ドット間を移動しているが、他の外部磁界方向との組合せで４つすべての円形ドット間を相互に移動できることは明らかである。また特に、スピン注入による渦の移動に要する電流値は、磁性材料やスピンバルブ素子の寸法にも依存するが、１１〜１２０μＡ、電流密度としては６．３×１０４〜１．４×１０５Ａ／ｃｍ２の範囲である。これらは、従来の磁化反転型のスピンバルブ素子が＞１×１０６Ａ／ｃｍ２であるのと比較すると極めて小さな値であり、この方式の大きな特長の一つである。
Figure 2010007695
 以上、本発明により、高い記録密度が可能な多値記録素子と、その駆動方法を提供するとともに、駆動電流を低減する手段を提供することができた。
図１２に本発明のスピンバルブ素子を利用した場合の記憶装置の構成を示す。スピンバルブ素子１は、図３に記載したような面内形状を有し、図１に記載したような層構造を有している。図１２には固定層２３、中間層２４、自由層２５のみを記載しそれらにアドレスするための電気的配線の構成以外の細部は省略している。また、実施する記憶装置においては、多数のスピンバルブ素子１がアレイ状に配列されているが、図１２はそのうちの一のスピンバルブ素子のみを記載したものである。
記憶装置１０のスピンバルブ素子１には、自由層２５に印加する外部磁界を発生させる電流を流す磁界発生ワード配線１０２および磁界発生ビット配線１０４がマトリックス状に配置されていて、これらの配線それぞれには電流駆動回路１１２および１１４が接続されている。各電流駆動回路は、ワードラインデコーダ１２２およびビットラインデコーダ１２４に接続されている。電流駆動回路１１２，１１４には、電流値をそれぞれに接続されたデコーダ１２２，１２４からの指令値によって制御するための電流増幅段（図示しない）が含まれている。磁界発生ワード配線１０２および磁界発生ビット配線１０４とスピンバルブ素子１の相対的な向きは、図７に示したようにＳの向きから６度ずれた方位に外部磁場が向くように円形ドット（島状非磁性部）を位置させた。
電流増幅段は、書換えが必要なスピンバルブ素子のみに書き込みに必要な外部磁界を及ぼし、それ以外のスピンバルブ素子には書込みが起こらないような外部磁界を及ぼすような電流Ｉｗ，Ｉｂを印加するために、ワードラインデコーダ１２２およびビットラインデコーダ１２４からの指令によって配線１０２、１０４に流す電流波形を制御している。この電流波形の制御は、本実施の形態では、図７等に示したような立ち上がりと立下りのある三角波形を印加し、そのピーク値によって状態の書換えを行う。このため、電流増幅段は、接続された各ワードおよび各ビットに必要な電流波形となるように三角波発生回路（図示しない）からの三角波形を増幅する。電流Ｉｗ，Ｉｂそれぞれが自由層２５に作る磁界Ｈｗ、Ｈｂの合成磁界Ｈが、各スピンバルブ素子にとっての外部磁界になる。
記憶装置１０のスピンバルブ素子１には、自由層２５と固定層２３との間に電流を流してその抵抗値を検出するための配線１３２および配線１３４も接続されている。固定層２３の働きは、このデータの読み出しの際に自由層２５との間で流れる電流による抵抗値を区別できるようにするためであり、そのため、固定層２３の磁化は、図１０（ｃ）に関して説明したように対称軸以外の向きの面内磁化としている。配線１３２および配線１３４は、検出のためのワードラインデコーダ１４２およびビットラインデコーダ１４４に接続されており、ビットラインデコーダ１４４は検出のための電流を発生させる電流源（図示しない）および電流検出部１５４に接続され、ワードラインデコーダ１４２は選択トランジスタを含む切り替え部１５２をワードラインごとに含んでいる。
なお、上述の説明は立ち上がりと立ち下がりのある三角波形状の変化をする外部磁界による書き込み動作を記載したが、同様のトルクを印加するようなスピン注入電流によっても同様の書き込み動作を実現することもできる。この場合には、図１２に示した磁界発生ワード配線１０２、電流駆動回路１１２、デコーダ１２２、および、磁界発生ビット配線１０４、電流駆動回路１１４、デコーダ１２４は用いないが、トランジスタなどのスイッチング素子スピンバルブ素子に直列に接続し、配線１３２および配線１３４によって書き込みのためのスピン注入電流を流す。
読み出し動作については、読み出し指令を受け取ると、まずワードラインデコーダ１４２が選択トランジスタによって読み出すワードのワードラインを電源あるいはアースなどに接続し、それ以外のワードでは接続を解除する。読み出すワードでは、ワードライン１３２が電源あるいはアースに接続されるので、ビットラインデコーダ１４４からの電流あるいは電圧を目的のスピンバルブ素子に印加し、そのときの電流または電圧を検出することができる。
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形、変更および組合わせが可能である。
一般に、渦の大きさは、磁性材料の交換相互作用の有効距離の目安である交換相互作用距離Ｌを基準として表わされる。即ち、磁化が垂直方向に立上る渦中心の大きさは、おおよそ交換相互作用距離Ｌ程度と考えられている。Ｌは下式で表わされる。
Ｌ＝（μ０Ａ／Ｍｓ ２ ）０．５
ここで、Ａは交換スティフネス定数（Ｊ／ｍ）、Ｍｓは飽和磁化（Ｔ）、μ０は真空透磁率＝１．２５７ｘ１０−６（Ｈ／ｍ）である。

Claims (8)

  1. 絶縁体層または非磁性層を含む中間層と該中間層を挟む１対の強磁性層とを備え、該１対の強磁性層の保磁力が互いに異なっているスピンバルブ素子であって、
    少なくとも保磁力が小さい強磁性層は、面内形状が概ね円形にされ、複数の島状非磁性部を有している、スピンバルブ素子。
  2. 前記島状非磁性部が概ね円形の面内形状を有することを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブ素子。
  3. 前記複数の島状非磁性部が、スピンバルブ素子外形の中心と概ね同じ位置に中心を有する同心円上に配置されることを特徴とする請求項１に記載のスピンバルブ素子。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載のスピンバルブ素子を駆動する駆動方法であって、
    保磁力が小さい強磁性層に面内磁界を印加し、渦状磁化の渦の位置を、ある島状非磁性部から他の島状非磁性部へ移動させることを特徴とする駆動方法。
  5. 前記面内磁界の方向は、２つの島状非磁性部を通る方向とは一致しないことを特徴とする請求項４に記載のスピンバルブ素子の駆動方法。
  6. 請求項１〜３のいずれかに記載のスピンバルブ素子を駆動する駆動方法であって、
    保磁力が小さい強磁性層に垂直磁界を印加することにより渦状磁化の渦を移動させて、当該渦を、ある島状非磁性部に位置する状態から、他の島状非磁性部に位置する状態へと回転するように移動させることを特徴とするスピンバルブ素子の駆動方法。
  7. 請求項１〜３のいずれかに記載のスピンバルブ素子を駆動する駆動方法であって、
    保磁力が小さい強磁性層に保磁力が大きい強磁性層からスピンを注入するよう電流を流すことにより渦状磁化の渦を移動させて、当該渦の位置を、ある島状非磁性部に位置する状態からその隣の島状非磁性部に位置する状態へと回転するように移動させることを特徴とするスピンバルブ素子の駆動方法。
  8. 請求項１〜３いずれかに記載のスピンバルブ素子を記憶素子として用いる記憶装置。
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