(57)【要約】  絶縁体層または非磁性層を挟み、保磁力が互いに異なっている１対の強磁性層を有するスピンバルブ素子であって、スピンバルブ素子の面内形状を概ね円形として周縁部に複数の切欠ＮＳ、ＮＷ、ＮＥ、ＮＮを設ける。好ましくは少なくとも一つの切欠の形状を他とは異ならせる。また、そのようなスピンバルブ素子を用いる記憶装置。
2009157100.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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、
少なくとも保持力が小さい強磁性層の面内形状が周縁部に複数の切欠を設けた概ね円形になっているスピンバルブ素子。
【請求項２】
前記複数の切欠のうち少なくとも１つの形状が他の切欠の形状と合同ではない、請求項１に記載のスピンバルブ素子。
【請求項３】
前記スピンバルブ素子の面内形状は、長軸：短軸のアスペクト比が、１対１以上１０２対９８以下の概ね円形である、請求項１または２に記載のスピンバルブ素子。
【請求項４】
前記切欠の長さの最小値Ｘが下式を満たす、請求項１または２に記載のスピンバルブ素子。
Ｘ≧０．４Ｒ、
ここで、Ｒはスピンバルブ素子の有効半径であり、該有効半径は、スピンバルブ素子の面積をＳとして（Ｓ／π）０．５により定義される。
【請求項５】
前記切欠の幅Ｙがいずれも下式を満たす、請求項１または２に記載のスピンバルブ素子。
Ｌ≦Ｙ≦５．５Ｌ、
ここで、Ｌは、Ｌ＝（μｏＡ／Ｍｓ２）０．５により定義され、該１対の強磁性層のうち保磁力が小さい強磁性層の材料の交換相互作用距離であって、Ａは、交換スティフネス定数（単位：Ｊ／ｍ）であり、Ｍｓは保持力が小さい強磁性層の材料の飽和磁化（単位：Ｔ）であり、μｏは、真空透磁率であり、１．２５７ｘ１０−６（単位：Ｈ／ｍ）である。
【請求項６】
請求項１または２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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンバルブ構造を有する記録素子及び記憶装置に関し、更に詳しくは、磁化させた強磁性層の磁化ベクトルの向きを制御することにより、情報の書き込み、読み出しができるスピンバルブ記録セル構造およびそれを利用する記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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する分野において製品の開発が進められている。それらの分野のうち、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。【０００３】
このスピンエレクトロニクスの中で、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。【０００４】
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。【０００５】
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）。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。
【特許文献１】特開平１０−９１９２５号公報
【特許文献２】特開２００３−３１７７１号公報
【特許文献３】特開２００７−３１７８９５号公報
【特許文献４】特表２００５−５３５１１１号公報
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
そして、特許文献４（特表２００５−５３５１１１号）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。【００１４】
本発明は、前記した従来技術が有するいずれかの課題を解消することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
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、少なくとも保持力が小さい強磁性層の面内形状が周縁部に複数の切欠を設けた概ね円形になっているスピンバルブ素子が提供される。【００１６】
本発明のスピンバルブ素子においては、前記複数の切欠のうち少なくとも１つの形状が他の切欠の形状と合同ではないようにすると好適である。【００１７】
また、本発明のスピンバルブ素子においては、面内形状を、長軸：短軸のアスペクト比が、１対１以上１０２対９８以下の概ね円形とすると好適である。【００１８】
加えて、本発明のスピンバルブ素子においては、切欠の長さの最小値ＸをＸ≧０．４Ｒと好適である。ここで、Ｒはスピンバルブ素子の有効半径であり、該有効半径は、スピンバルブ素子の面積をＳとして（Ｓ／π）０．５により定義される。【００１９】
そして、本発明のスピンバルブ素子においては、前記切欠の幅ＹがいずれもＬ≦Ｙ≦５．５Ｌとすると好適である。ここで、Ｌは、Ｌ＝（μｏＡ／Ｍｓ２）０．５により定義され、該１対の強磁性層のうち保磁力が小さい強磁性層の材料の交換相互作用距離であって、Ａは、交換スティフネス定数（単位：Ｊ／ｍ）であり、Ｍｓは保持力が小さい強磁性層の材料の飽和磁化（単位：Ｔ）であり、μｏは、真空透磁率であり、１．２５７ｘ１０−６（単位：Ｈ／ｍ）である。【００２０】
本発明は記憶装置として実施することもできる。すなわち、本発明においては、上記のいずれか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。
【発明の効果】
【００２１】
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スピンバルブ素子における磁化反転電流を低減し、磁化反転の高速化を実現する、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。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】円形薄膜磁化挙動のマクロスピンモデル解析例  （円形、外部磁界ピーク値  ５ｋＡ／ｍ）。
【図４】スピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例（比較例１）を示す説明図。
【図５】楕円形状でのアスペクト比と反転磁界の関係を示す説明図。
【図６】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。
【図７】本発明のスピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例（解析例１）を示す説明図。
【図８】本発明のスピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例（解析例２）を示す説明図。
【図９】渦状磁化構造の説明図。（ａ）は立体図、（ｂ）は磁化を矢印で示した平面図。
【図１０】本発明で得られた、切欠周辺の磁化分布の説明図。（ａ）は立体図、（ｂ）は磁化を矢印で示した平面図。
【図１１】本発明のスピンバルブ素子における、外部磁界と磁化分布の安定点の関係の一例を示す説明図。
【図１２】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ピン層、（ｃ）面内磁化異方性を持つピン層。
【図１３】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）垂直磁化書込み用ピン層と面内磁化読出し用ピン層を持つ構造例、（ｂ）面内スピン注入用電極と面内磁化ピン層を持つ構造例。
【図１４】本発明のスピンバルブ素子における、切欠幅と磁化分布の関係例を示す説明図。
【図１５】本発明のスピンバルブ素子における、切欠長さと磁化分布の関係例を示す説明図。
【図１６】本発明のスピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例（解析例３）を示す説明図。
【図１７】本発明のスピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の１例（解析例４）を示す説明図。
【図１８】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】
【００２３】
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
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の実施形態における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であって、その周縁部、すなわち円形の外縁に複数の切欠（ノッチ）を設けた形状とする。こうして、スピンバルブ素子の形状異方性を小さくして記録に必要な磁界を低減するとともに、いずれかの切欠の作用によって自由層面内の磁化パターンが固定された状態を実現する。かかる構成によれば、自由層の磁化分布には、設けた切欠の数だけの安定状態が存在することとなり、多値記録素子を簡単な構成によって実現することができる。【００２５】
特に、複数の切欠のうち少なくとも１つの形状を他の切欠の形状とは合同でないように構成することにより、自由層の磁化に渦（ｖｏｒｔｅｘ）を誘起して渦状磁化を実現することが可能となる。即ち、渦状磁化は、磁性膜の磁気特性、形状、大きさの作用により切欠の無い場合でも実現する場合があるが、本願発明者は、初期の磁化状態が安定状態である平行磁化であって、上記のように切欠の形状を不均一にすることによって、磁化に渦を誘起させることが可能であることを見出したものである。更に、本発明者は、特定の条件において、その渦が各切欠に固定化されるという特有の磁化パターンが形成できることも見出した。渦がいずれの切欠に固定化されるかは、外部磁界またはスピン注入などによって磁化を制御することによって選択することができる。【００２６】
自由層の面内形状を対象性の良い形状から歪（いびつ）にすることにより形状異方性を誘起して複数の安定位置を作製することは、前述のように特許文献４（特表２００５−５３５１１１号公報）に開示されている。しかし、形状異方性を誘起する程度までに面内形状を歪にした場合は、記録のための磁界を大きくする必要があり実用上は大きな問題となる。【００２７】
上記を更に詳細に説明する。薄膜の磁化反転挙動は、一般に（１）式のランダウ・リフシツ・ギルバート方程式（ＬＬＧ方程式）により表される。
ｄｍ／ｄｔ  ＝  γｍ  ×  Ｈｅｆｆ  ＋  αｍ  ×  ｄ  ｍ／ｄｔ  （１）
但し、ｍ は、薄膜磁化の方向を示す単位ベクトル、γは磁気ジャイロ定数、Ｈｅｆｆは有効磁界ベクトル、αはギルバートのダンピング定数である。【００２８】
この式を用いて、薄膜の磁化反転挙動を薄膜全体を１つのスピンで近似するマクロスピンモデルで解析した例を図３に示す。ここでは表１の材料１の物性値の薄膜を想定し、初期状態の磁化単位ベクトルを（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）＝（０．９９、０．１、０．０）とし、−ｘ方向に外部磁界パルス５ｋＡ／ｍを印加した時の磁化の反転挙動を解析している。外部磁界のパルス波形は、立上り１．０ｎｓ、保持０ｎｓ、立下り１．０ｎｓの三角波状とした。また、図３（ａ）において、時間単位は（γＭｓ）−１（Ｍｓは飽和磁化）で規格化しており、３０単位時間は１ｎｓに相当する。
【表１】
2009157100.tif 000003
【００２９】
図３においては、自由層の磁化は、外部磁界パルスが印加されている０ｎｓ〜２．０ｎｓ（０〜６０単位時間）の間、外部磁界方向であるｘ軸を中心とした歳差運動をしているが、磁界パルス終了後は、歳差運動の回転中心が薄膜に垂直なｚ軸（反磁界方向）となってその歳差運動が継続する。図４は同じの条件でのスピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動のある例を示す説明図であり、マイクロマグネティクス解析によって得られた結果である。図４にも図３と同様の継続する振動が確認される。このように単純な円形薄膜では、外部磁界により薄膜磁化を反転させても磁化は容易に固定化されず、実用的な記録素子としては機能しない。【００３０】
現在用いられている多くのスピンバルブ素子においては、この問題を解決するために、面内形状を楕円形として形状異方性を付与して磁化方向を長軸に安定化させている。これにより、２方向の安定状態が得られるが形状異方性のために記録磁界は大きくなっている。図５は楕円のアスペクト比と反転磁界の関係を計算したものであるが、短軸対長軸のアスペクト比が９８対１０２以上（長軸対短軸のアスペクト比が１０２対９８以下）で磁化を反転させるために必要な磁界（反転磁界、図の境界線）が急激に増大していることがわかる。【００３１】
本発明のスピンバルブ素子の実施形態の面内の形状の例を図６に示す。面内形状は基本的に円形であり、その円の周縁部から中心に向かって長方形の切欠ＮＳ、ＮＷ、ＮＮ、ＮＥが４本形成されている。以下の説明では、薄膜寸法は直径１００ｎｍ、厚さ２０ｎｍとし、切欠寸法は幅１２．５ｎｍ、長さ２５ｎｍとした。また、説明において切欠を特定する便宜上、図６右のような方角の表示によって切欠を表記する。【００３２】
［書き込み動作］
まず、図６のように、同じ形状の切欠を４本形成し、初期の磁化状態を図中の上方向（Ｎ方向）に設定して、図中の下方向（Ｓ方向）の外部磁界を印加すると、薄膜内の磁化分布は図７のように変化する。図７は、本実施例のスピンバルブ素子に外部磁界を印加した場合の磁化挙動の一例を示す説明図である。薄膜の形状異方性により磁化に安定点が生じ、磁化分布は安定する。この場合の磁化分布は薄膜内の磁化がほぼ平行であり、磁化方向が切欠の中間となった安定状態が得られる。図７では、磁化がＳＷ方向（Ｓ方向とＷ方向）の中間を向いた安定状態が得られている。【００３３】
また、４本の切欠のうち、Ｓ方向の切欠長さを他の３本より若干長く（２８ｎｍ）設定して、上記と同様の磁界を与えることにより、渦状の磁化分布を得ることが出来る。図８は、本発明の実施形態におけるスピンバルブ素子に外部磁界を印加したときの磁化挙動の例を示す説明図である。初期状態はＮ方向に向いた平行磁化の状態である。S方向に向く外部磁化をスロープの立上り期間を１ｎｓとし、立下り期間を１ｎｓとして印加している。図８に示したように、外部磁界を印加した後、Ｓ方向にある切欠に磁化の渦が固定されている。すなわち、薄膜内の磁化分布は磁界を印加する前は平行磁化であるが、磁界印加により図８のように変化し、外部磁界終了後は、切欠周辺で磁化ベクトルが円弧を描く渦状の磁化分布が得られ、その状態で安定化する。このように、本発明の実施形態においては、基本的な面内形状を円形に保つことによって反転磁界を抑制しつつ、切欠により外部磁界終了後の磁化を安定させる機能を実現する。【００３４】
また、このようにして得られた切欠周辺の磁化分布は、渦の中心は切欠に位置しているかのような渦状磁化となって、切欠に渦が固定されたかのような磁化状態に相当する。即ち、磁性膜の単磁区内での磁化分布は、一般に平行磁化と渦状磁化に大別される。図９は渦状磁化の磁化分布を示したものであるが、渦状磁化構造の中心では、面内での磁化分布は互いに反平行となるので、交換エネルギーを小さくするため、図９（ａ）に示すように磁化は垂直方向に立上る。一方、本発明の実施形態において得られた切欠周辺の磁化分布の詳細を図１０に示すが、面内での磁化分布は、磁化が切欠周辺において円弧を描いており、渦が引き伸ばされた形状となっている。注意すべきは、渦の中心が切欠の中空部分に位置し、図９に見られた中心の垂直配向磁化部が解消されていることである。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と推定されるが、本素子ではその部分が解消されるので、エネルギー的に低くなっていると推定され、それが渦を切欠に安定化させる要因となっていると推定される。【００３５】
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。このようにして自由層と固定層の磁化分布を個別に制御することで、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、記録素子としての動作が実現される。【００３６】
また、上記では外部磁界による記録過程を例として示したが、スピン注入によっても渦の移動が可能であり、同様の面内形状を利用して渦の移動を実現することができる。【００３７】
特に、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１）や、自由層面内電流でのスピン注入（非特許文献２）により自由層の渦の位置を回転するように移動させることが可能であることが知られている。このような回転移動による切欠間における渦の移動は、渦が隣接にした切欠に順次移動することとなり、固定される切欠の指定が容易となるので好適である。図１１に、本発明の実施形態のスピンバルブ素子における、外部磁界と磁化分布の安定点の関係の一例を示している。この例における切欠は円形薄膜のＮ／Ｅ／Ｓ／Ｗ方向に形成し、Ｓ方向にある切欠が他の３方向のものより僅かに長くなるように形成している。図１１に示したように、例えば外部磁界のピーク値（図７等における１．０ｎｓｅｃにおける外部磁界の値）を６．５から７．５ｋＡ／ｍへと増加させることによって、渦が固定される切欠の位置を反時計周りに回転するように順次移動させることができ、逆にこの範囲で減少させると時計回りに回転するように順次移動させることができる。外部磁化のピーク値が６．５ｋＡ／ｍ付近および７．５ｋＡ／ｍ付近では、わずかに長いＳ方向の切欠が渦の安定な位置になっている。【００３８】
［読み出し動作］
一方、自由層の渦の位置の違い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における電気抵抗を検出することが必要である。図１２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。自由層は、図１２（ａ）に示すように渦のある磁化配置となっている場合に、もし固定層が図１２（ｂ）のような垂直磁化異方性を持ち垂直に磁化されている場合には、自由層の渦がどの切欠に固定されても電気抵抗に差は生じないが、固定層が図１２（ｃ）のような面内磁化異方性を持って面内に磁化されていれば、渦が固定される切欠により電気抵抗が異なって、その電気抵抗値から渦の位置を検出することが可能である。ただし、この時に固定層の磁化方向が図１２（ｃ）における一点鎖線Ｍ１によって示したような対称軸と一致すると、自由層の磁化の渦の位置が、４つの切欠のうちＥとＳの切欠にあるときの電気抵抗が同じとなり、また、ＮとＷの切欠にあるときのときの電気抵抗が同じとなる。このため、４つの渦位置を判別することができず、記録可能な値は２値になる。また、固定層の磁化方向が図１２（ｃ）における一点鎖線Ｍ２によって示したような対称軸と一致すると、自由層の磁化の渦の位置が、４つの切欠のうちＮとＳの切欠にあるときの電気抵抗が同じとなる。このため、４つの渦位置を判別することができず、記録可能な値は３値になる。この場合も本発明の実施形態の効果は保持されるが、より多くの値を記録するためには、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構成が好ましい。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。【００３９】
また、スピン注入を図１２（ｂ）に示した磁化配置の固定層によって行うのみでは読取りができない。このため、垂直磁化異方性を持つ固定層を用いる場合には自由層の渦がいずれの切欠位置にあっても同じ電気抵抗しか示さず、読み取りのためには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１３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１３（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１３（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１３（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１３（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。【００４０】
特に、渦が固定化される切欠は、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、切欠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、どの切欠へも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、本発明の実施形態の素子によれば、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。【００４１】
［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。以下に示す各層に用いる材料や膜厚は一例である。このスピンバルブ素子は面に垂直な断面構造は図１のスピンバルブ素子と同様であるため、図１の符号によって説明する。まず、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（以下、「固定層２３」という）としてＣｏＦｅＢ（３５ｎｍ）、絶縁体層２４としてＭｇＯ（０．６ｎｍ）、強磁性層２５（以下、「自由層２５」という）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切欠を持つ円形形状のスピンバルブ素子を形成する。特に微細な切欠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（ＥＵＶ）露光によるパターニングも用いることができる。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程度の磁界中、３５０〜５００℃でアニールを行うことによって固定層の磁化容易軸を決定する。【００４２】
また特に、図１３（ａ）に示したような読み取り用固定層２９を形成する場合には、固定層２３として垂直磁化配向となりやすいＴｂＦｅＣｏを用い、自由層２５を成膜後、更にＭｇＯ層と読み取り用固定層２９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。【００４３】
本発明の実施形態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、ガラス基板を用いることができる。この他にも、ヒートシンクとしての機能が高い銅基板も用いることができ、その場合には、必要に応じて銅基板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としては、Ｔａ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｍｏを用いることができ、反強磁性層２２としては、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎを用いることができ、固定層２３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酸化物を用いることができ、非磁性層５１としてはＣｕ、自由層２５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として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。【００４４】
スピンバルブ素子として機能を発現するには、固定層２３の保持力を自由層２５より大きくすることが必要である。この方法としては、固定層２３と自由層２５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固定層２３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、磁界中アニールを施すことで制御される。【００４５】
［素子の解析例］
以下に、上記の渦の生成と切欠への固定化条件を検討した結果を示す。ここでは、表１の磁気特性を持つ磁性材料を強磁性材料として仮定している。ここに示したものと異なる磁気特性を持つ材料を用いた場合には個々の特性値は異なってくるが、本来の機能は同様に得られる。【００４６】
図１４は、直径１００ｎｍφ、厚さ２０ｎｍの自由層を持つスピンバルブ素子において、切欠形状を長方形とし、その切欠幅と反転磁界及び磁化分布との関係を示したものである。このとき、切欠には非対称性を付与し、磁化分布は切欠円弧を描く渦状の磁化となっている。図１４に示したように、切欠形状が長方形の場合には、切欠幅が２０ｎｍを超えると反転磁界が急激に大きくなることがわかる。また同図には、切欠形状を、外周側の切欠幅が中心側の切欠幅がより大きいような形状（扇形）とした場合において、その外周側の切欠幅への依存性も示している。長方形の場合と同様に、扇形の場合も外周側の切欠幅が２０ｎｍを超えると反転磁界が急激に大きくなることがわかる。【００４７】
切欠幅に対して反転磁界がこのように振舞う理由について、本願の発明者は、切欠の最大幅が２０ｎｍを超えると切欠を隔てた磁性膜の交換相互作用が小さくなり、形状異方性の効果が大きくなって反転磁界が大きくなるものと推定している。この考えに基づいて、上記の原理を実現するために切欠が有すべき形状を特定するべく、自由層の強磁性材料の磁気的性質に注目した。すなわち、下式で表わされる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
Ｌ＝（μｏＡ／Ｍｓ２）０．５
によって、上記の切欠の形状を特徴付けうることを見出した。なお、Ａは交換スティフネス定数（Ｊ／ｍ）、Ｍｓは飽和磁化（Ｔ）、μｏは真空透磁率（＝１．２５７ｘ１０−６Ｈ／ｍ）である。【００４８】
交換相互作用距離Ｌを表１に示した材料から算出すると、本検討に用いた「材料１」の交換相互作用距離Ｌは約３．７４ｎｍとなる。これを上記の検討結果から得られた２０ｎｍの切欠の最大幅と対比させることにより、切欠の最大幅Ｙは、Ｙ≦５．５Ｌであることが望ましいことがわかる。また、検討した範囲においては、切欠幅が上記のＬより小さい時は、渦が切欠に固定される現象が確認されなかった。これらのことから、切欠幅Ｙがいずれも下式を満たすことが望ましいものと考えている。
Ｌ≦Ｙ≦５．５Ｌ【００４９】
また、図１５には切欠の長さの効果を示す。切欠長さＸが２０ｎｍ以下の場合  には切欠における磁化の安定性が低く、回転磁化は容易に固定されない。このため、外部磁界を変化させても、面内での磁化が変化しないか、平行磁化になるだけである。これに対し、切欠長さＸが２０ｎｍを超えると回転磁化に安定状態が得られるようになる。本願発明者は、この振舞いが磁性膜全体の形状に依存した異方性静磁エネルギーと、渦の回転移動の軌跡の大きさ（半径）とに関連すると推測しているが、これらの量がともに磁性膜半径Ｒ（＝５０ｎｍ）との相対値に依存する量であることから、さらに、切欠の長さＸが、次式を満たすことが望ましい。
Ｘ≧０．４Ｒ
自由層の磁性膜が完全に円形でない場合には、Ｒは、スピンバルブ素子の面積をＳとして次式によって計算される有効半径とすることができる。
Ｒ＝（Ｓ／π）０．５【００５０】
上記に示した例を含めた解析例および比較例を表２に示す。ここで、解析例４の“切欠形状”は扇形で、この場合、表２に示した“切欠幅”は、それぞれ中心側と外周側の値を示す。また、表２の“非対称性”は、総ての切欠が合同の場合が（×）、切欠の総てが合同ではない場合が（○）としている。また、（○）の場合は、Ｓ置の切欠について、他の３つ（Ｎ、Ｅ、Ｗ）の切欠と、長さまたは幅が異なるようにしている。いくつかの解析例についての磁化挙動を、図４（比較例１）、図７（解析例１）、図８（解析例２）に既に示している。それに追加して、図１６（解析例３）、図１７（比較例４）にも磁化挙動を示す。【００５１】
解析例１〜９では、いずれも、外部磁界パルス終了は磁化ベクトルが安定化しており、良好に記録されていることがわかる。一方、切欠が無い場合（比較例１）は磁化ベクトルが安定せず良好な記録状態は得られなかった。また、切欠長さが２０ｎｍより小さい場合（比較例２）や、切欠幅が２０ｎｍより大きい場合（比較例３）には、印加した外部磁界では書き込み動作ができなかった。
【表２】
2009157100.tif 000004
【００５２】
［記憶装置の構成］
図１８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６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１８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１８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。【００５３】
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。【００５４】
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８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。【００５５】
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１２（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。【００５６】
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１８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。【００５７】
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。【００５８】
以上、本発明により、スピン注入磁化反転スピンバルブ素子における磁化反転電流の低減と磁化反転の高速化を実現する手段を提供することができた。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、変更および組合せが可能である。
【図１】
2009157100.tif 000005
【図２】
2009157100.tif 000006
【図３】
2009157100.tif 000007
【図４】
2009157100.tif 000008
【図５】
2009157100.tif 000009
【図６】
2009157100.tif 000010
【図７】
2009157100.tif 000011
【図８】
2009157100.tif 000012
【図９】
2009157100.tif 000013
【図１０】
2009157100.tif 000014
【図１１】
2009157100.tif 000015
【図１２】
2009157100.tif 000016
【図１３】
2009157100.tif 000017
【図１４】
2009157100.tif 000018
【図１５】
2009157100.tif 000019
【図１６】
2009157100.tif 000020
【図１７】
2009157100.tif 000021
【図１８】
2009157100.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成23年2月10日(2011.2.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
この式を用いて、薄膜の磁化反転挙動を薄膜全体を１つのスピンで近似するマクロスピンモデルで解析した例を図３に示す。ここでは表１の材料１の物性値の薄膜を想定し、初期状態の磁化単位ベクトルを（ｍｘ、ｍｙ、ｍｚ）＝（０．９９、０．１、０．０）とし、−ｘ方向に外部磁界パルス５ｋＡ／ｍを印加した時の磁化の反転挙動を解析している。外部磁界のパルス波形は、立上り１．０ｎｓ、保持０ｎｓ、立下り１．０ｎｓの三角波状とした。また、図３（ａ）において、時間単位は（γＭｓ）−１（Ｍｓは飽和磁化）で規格化しており、３０単位時間は１ｎｓに相当する。
【表１】
2009157100.tif 000023
【国際調査報告】
2009157100.tif 000024
2009157100.tif 000025
2009157100.tif 000026
2009157100.tif 000027