(57)【要約】【課題】  熱アシスト法によるエネルギー照射を実現し、また、MRAMの書込み電流磁場の低減に寄与する新規な磁気記録ヘッド及び磁気記憶装置を提供すること。【解決手段】  記録磁極５、および記録磁極５の近傍に形成され、磁化がゆらぐ磁化フリー層３１と、磁化フリー層に積層形成された非磁性層３５と、非磁性層３５に積層された磁化が固定された磁化固定層３５と、磁化フリー層３１、非磁性層３５および磁化固定層３５の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極３９１、３９３とを備え、通電により磁化固定層３５から磁化フリー層３１に注入されるスピン偏極電流によって磁化フリー層３１にスピン波を励起するスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記録ヘッド。【選択図】  図２
2005285242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
記録磁極、および
前記記録磁極の近傍に形成され、磁化がゆらぐ磁化フリー層と、前記磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、前記非磁性層に積層された磁化が固定された磁化固定層と、前記磁化フリー層、前記非磁性層および前記磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、前記通電により前記磁化固定層から前記磁化フリー層に注入されるスピン偏極電流によって前記磁化フリー層にスピン波を励起することができるスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項２】
記録磁極、および
前記記録磁極の近傍に形成され、磁化が揺らぐ磁化フリー層と、前記磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、前記非磁性層に積層形成された磁化固定層と、前記磁化フリー層、前記非磁性層および前記磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、前記通電により前記磁化フリー層からスピン揺らぎ電流を前記磁化固定層に注入し、前記磁化固定層に磁気共鳴またはスピン波を誘起することができるスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項３】
前記磁化フリー層は５ｘ１０6erg/cm3以上の異方性エネルギーをもつ強磁性薄膜あるいは強磁性／反強磁性の積層膜であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気記録ヘッド。
【請求項４】
前記磁化固定層は、複数の強磁性体が非磁性体を介して積層され前記複数の強磁性体が互いに反強磁性結合した人工反強磁性体であり、前記非磁性体の平均厚さが１ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の磁気記録ヘッド。
【請求項５】
磁気記録媒体を備え、前記スピン波発振器の発振周波数が前記磁気記録媒体の磁気共鳴周波数と等しいかもしくは近傍の発振周波数をもつことを特徴とする磁気記録装置。
【請求項６】
誘電体層を介して複数の磁性層が積層され、前記複数の磁性層の少なくとも一つの磁化の反転により磁気情報を記憶可能な磁性トンネル接合素子、および
前記磁性トンネル接合素子の近傍に形成され、磁化がゆらぐ磁化フリー層と、前記磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、前記非磁性層に積層された磁化が固定された磁化固定層と、前記磁化フリー層、前記非磁性層および前記磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、前記通電により前記磁化固定層から前記磁化フリー層に注入されるスピン偏極電流によって前記磁化フリー層にスピン波を励起することができるスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【請求項７】
誘電体層を介して複数の磁性層が積層され、前記複数の磁性層の少なくとも一つの磁化の反転により磁気情報を記憶可能な磁性トンネル接合素子、および
前記記録磁極の近傍に形成され、磁化が揺らぐ磁化フリー層と、前記磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、前記非磁性層に積層形成された磁化固定層と、前記磁化フリー層、前記非磁性層および前記磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、前記通電により前記磁化フリー層からスピン揺らぎ電流を前記磁化固定層に注入し、前記磁化固定層に磁気共鳴またはスピン波を誘起することができるスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記憶装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は磁気記録ヘッドおよび磁性ランダムアクセスメモリなどの磁気記憶装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
読出し用磁気ヘッドとして巨大磁気抵抗効果（GMR効果）を利用したGMRヘッドの登場以来、磁気記録の記録密度は、年率100％で向上している。GMR素子は、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ構造の積層膜からなり、約１０％の磁気抵抗効果を示し、200Gbit/inch2（Gbpsi）程度の記録密度まで対応可能であろうと考えられている。
【０００３】
より高密度な磁気記録に対応するため、トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）を利用したTMR素子の開発が進められている。TMR素子は強磁性層／絶縁体／強磁性層の積層膜からなり、MR比は最大で50%程度が得られており、約300Gbpsiの記録密度に対応できると考えられている。
【０００４】
一方、数100Gbpsi以上の磁気記録ではビットサイズは約数10nm〜100nm程度になるので、微小磁化の熱ゆらぎを低減するため磁気媒体の保磁力が極めて大きくなる。そのため磁気記録時には磁場と熱を同時に供給する熱アシスト法が必要になると考えられている。熱アシスト法においては記録の高速性と局所性を併せ持つ大きなパワー密度の熱照射が必要となり、レーザー熱アシスト方法が提案されている（非特許文献１）。
【０００５】
また、磁性体の記録磁化を記憶情報として用いる磁性ランダムアクセスメモリ（MRAM）では、高集積化による、書込みのための電流磁場の増大が指摘されている。
【非特許文献１】T. Rausch, Jpn.J.Appl.Phys. 42(2003)pp.989-994
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、高密度磁気記録では、熱アシスト法において簡便にエネルギーを照射する方法が求められている。また、MRAMにおいても書込み電流の低減が課題となっている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて、熱アシスト法によるエネルギー照射を実現し、また、MRAMの書込み電流磁場の低減に寄与する新規な磁気記録ヘッド及び磁気記憶装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑みて、本発明の第一は、記録磁極、および記録磁極の近傍に形成され、磁化がゆらぐ磁化フリー層と、磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、非磁性層に積層された磁化が固定された磁化固定層と、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、通電により磁化固定層から磁化フリー層に注入されるスピン偏極電流によって磁化フリー層にスピン波を励起するスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記録ヘッドを提供する。
【０００９】
また、本発明の第二は、記録磁極、および記録磁極の近傍に形成され、磁化が揺らぐ磁化フリー層と、磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、非磁性層に積層形成された磁化固定層と、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、通電により磁化フリー層からスピン揺らぎ電流を磁化固定層に注入し、磁化固定層に磁気共鳴またはスピン波を誘起するスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記録ヘッドを提供する。
【００１０】
本発明の第三は、誘電体層を介して複数の磁性層が積層され、前記複数の磁性層の少なくとも一つの磁化の反転により磁気情報を記憶可能な磁性トンネル接合素子、および磁性トンネル接合素子の近傍に形成され、磁化がゆらぐ磁化フリー層と、磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、非磁性層に積層された磁化が固定された磁化固定層と、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、通電により磁化固定層から磁化フリー層に注入されるスピン偏極電流によって磁化フリー層にスピン波を励起するスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記憶装置を提供する。
【００１１】
本発明の第四は、誘電体層を介して複数の磁性層が積層され、複数の磁性層の少なくとも一つの磁化の反転により磁気情報を記憶可能な磁性トンネル接合素子、および記録磁極の近傍に形成され、磁化が揺らぐ磁化フリー層と、磁化フリー層に積層形成された非磁性層と、非磁性層に積層形成された磁化固定層と、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層の膜面に対して垂直方向に通電可能な一対の電極とを備え、通電により磁化フリー層からスピン揺らぎ電流を磁化固定層に注入し、前記通電により前記磁化フリー層からスピン揺らぎ電流を前記磁化固定層に注入し、前記磁化固定層に磁気共鳴またはスピン波を誘起することができるスピン波発振器を備えることを特徴とする磁気記憶装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
上記本発明によれば、熱アシスト法によるエネルギー照射を実現し、また、MRAMの書込み電流磁場の低減に寄与する新規な磁気記録ヘッド及び磁気記憶装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所もあるが、それらは以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【００１４】
（第１の実施の形態）
本発明の磁気記録ヘッドに関わる第１の実施の形態について、垂直磁気記録ヘッドを例に図１（ａ），（ｂ）、図２乃至図６を参照しつつ説明する。
【００１５】
図１（ａ），（ｂ）は、磁気記録トラックと磁気記録再生ヘッドの関係を示す斜視図である。磁気記録トラック１は磁気記録媒体の一部であり、図１（ａ）では図示の便宜上、任意の磁気記録トラック１のみを表示している。磁気記録媒体は、円盤状であればその中心軸を中心に回転され、この媒体と磁気ヘッドは相対移動する（図１（ａ）では、磁気ヘッドが矢印Ａ方向に進む）。
【００１６】
磁気記録トラック１には、磁気記録ヘッドにより垂直磁化１ａ，１ｂが記録される。磁気記録ヘッドは、その媒体対向面から後方に伸びる記録磁極５と、この記録磁極５へ所望の磁化を付与する電磁コイル（図示せず）を備えられる。記録磁極５の媒体対向面側の前方には磁気記録トラック１を加熱するスピン波発振器３が備えられている。このスピン波発振器３は、記録磁極５による記録に先立ち、磁気記録トラック１の局所的加熱を行う。
【００１７】
記録磁極５の媒体対抗面側の後方に設けられているのが磁気読出し用ヘッドであり、この読出し用ヘッドは磁気抵抗効果素子等のセンス素子７とこの素子７をヘッドが移動する前方及び後方から挟む一対のシールド９ａ，９ｂ、センス素子７にセンス電流を供給するリード線（図示せず）等を備える。
【００１８】
スピン波発振器３は、その発振層の構造の違いからスピントルク型とスピン共鳴型がある。
【００１９】
スピントルク型は、磁化が揺らぐ磁化フリー層と、磁化が実質的に揺らがない磁化固定層の２つの磁性層を備える。磁化固定層（第１の磁性層３１）から磁化フリー層（第２の磁性層３３）に注入されるスピン偏極電流によって磁化フリー層にスピン波を励起する発振素子である。
【００２０】
スピン共鳴型は、磁化が揺らぐ微小磁性体の磁化フリー層（第１の磁性層３１）からスピン揺らぎ電流を第２の磁性層３３に注入し、第２の磁性層３３に磁気共鳴またはスピン波を誘起する発振素子である。
【００２１】
尚、磁化固定層の磁化を固定する手段には、磁性層に反強磁性層を積層して両者の間の交換結合を利用する方法や、磁性層に高保磁力の材料を用いる方法などがある。一方、磁化自由層には印加する磁場によって磁化が回転する程度の保磁力を持つ材料を用いる。
【００２２】
スピン波の励起原理は異なるが、いずれのスピン波発振器も少なくとも２つの磁性体を備える必要がある。以下では、スピントルク型およびスピン共鳴型の２つの発振素子に共通する素子構造と動作について説明する。
【００２３】
スピン波発振器３について、図２、図３の斜視図を用いて説明する。
【００２４】
スピン波発振器３は、第１の磁性層３１、第２の磁性層３３、及びこれらの間に形成された非磁性層３５を備えた積層膜を具備する。この積層膜に、各層の層表面に対して垂直に電流を流すことで、第２磁性層３３内に強いスピン波が励起される。よって、スピン波発振器３は、この電流を付与するための一対の電極３９１、３９３が備わっている。
【００２５】
スピン波発振器３は、第１の磁性層３１に接して、あるいはTaなどの金属を介して形成されたハードバイアス膜３７１を備える。ハードバイアス膜３７１は、スピン波を発振する第２の磁性層３３へバイアス磁場を印加するためのもので、発振周波数の制御により媒体の磁気共鳴周波数に近づけて加熱効率を高めるためのものである。
【００２６】
尚、図２及び図３中、電極３９１と第２の磁性層３３の間には平坦性確保のためのTaなどの金属が電極保護のために形成されているが、この層は必須ではない。図中のハードバイアス膜３７１、第１の磁性層３１、及び第２の磁性層３３中の矢印は、各層の磁化方向を示す。図２では、各層の磁化は層の面内方向に、図３では各そうの磁化は層の膜厚方向に向いている。
【００２７】
スピン波発振器３から発生する高周波振動磁場によって媒体を加熱するには、振動磁場の方位方位が媒体の磁化方位と直交する成分を持つことが効果的である。つまり、スピン波が励起される磁性層の磁化の揺らぎの方位がｚ軸方向に振動する磁気双極子による磁場となり、この磁場が媒体磁化方位と直交する成分をもつ必要がある。
【００２８】
素子が発生する高周波磁場は、第２磁性層３３が図２に示すような面内磁化を備える場合は、ＹＺ面と平行な面内において、Ｚ軸方向に振動する磁気双極子による磁場が発生する。従って、面内磁化を備えた発振層の素子では、ＸＹ面、YZ面、あるいはＸＺ面を媒体対向面とすることができる。図２の構造は、XZ面を媒体対向面、Z軸方向をヘッドの移動方向とする場合が示されている。電極面が形成されるYZ面は、媒体との距離調節に不利であるため、XZ面あるいはXY面を媒体対向面とするのがよい。
【００２９】
尚、トラック幅及びビット幅は媒体の記録ビットサイズによって決まる（図４(a)の上面模式図、図４（ｂ）の記録ビット斜視図参照）が、スピン波発振器の発振層３３を記録ビットと同程度のサイズにすると、効率的に加熱記録が行える。図中のビット幅、トラック幅はＸＹ面を媒体対向面とした場合の最適な素子サイズを示している。
【００３０】
一方、第２磁性層３３が図３の斜視図に示すような垂直磁化の場合には、ＸＹ面及びＹＺ面と平行な面内で振動する磁気双極子による磁場が発生する。媒体対抗面は、面になる。図３に示したビット幅、トラック幅はＸＹ面を媒体対向面とした場合の最適な素子サイズを示している。図３において、記録ヘッドの移動方向はＸ軸方向である。
【００３１】
このようなスピン波発振器３により、直下の磁気記録トラック１の微小記録部（ビット記録部に相当する）に作用するマイクロ波磁場の大きさはｈ＝103〜104Oe程度である。ここでスピン波発振器３と磁気記録媒体面の距離を約10nm、発振層（第２磁性層）３３の体積および磁化をそれぞれ約30ｘ30ｘ10nm3、約103ガウスとした。
【００３２】
磁気記録媒体に吸収されるマイクロ波のパワーＰは媒体の帯磁率の虚数部χ″に依存し、式（１）のように表される。
【００３３】
【数１】
2005285242.tif 000003
【００３４】
χ″(ω)は周波数に強く依存し、媒体の共鳴周波数から離れた周波数では小さく１以下であるが、媒体の共鳴周波数あるいはその近傍では10〜100程度に増大する。媒体の加熱効率は吸収パワーＰに依存するので、媒体の共鳴周波数近くの周波数で加熱することが重要である。発振器の周波数が媒体の共鳴周波数に近い場合には媒体に吸収されるパワーは（１）式を用いて、単位体積あたり1018〜1021erg/s cm3と見積もられる。但し、10から100GHzの共鳴周波数を想定して、ωは2πｘ（1010〜1011）/sとした。
【００３５】
一例として、熱容量が約3ｘ107erg/Kcm3のＦｅＰｔを磁気媒体に用いた場合を考える。スピン波発振器３により媒体の微小部分が局所的に加熱され、微小部分の異方性エネルギーKu1が減少する。記録磁極により印加される数KOeの外部磁場の下で記録を行うためには微小部分の温度を室温から100K（℃）程度上昇せしめる必要がある。すなわち書込み速度を1GHzとした場合、約100K/nsの昇温レートが必要となる。
【００３６】
一方、スピン波発振器により加熱された微小部分の上方に記録磁極５が到達するまでに約1nsの時間がかかるので、その間に加熱部分が冷却してしまわないためには熱伝導や輻射による微小部分の放熱レートは100K/ns以下でなければならない。上記熱容量を用いると、この放熱レートは3ｘ1018erg/s cm3のエネルギー放出レートに相当する。
【００３７】
図５は、スピン波発振器３から媒体の微小部分に供給されるパワー（1018〜1021erg/s cm3）とエネルギー放出レート（3ｘ1018erg/s cm3以下）との関係を示す模式図である。発振周波数を調節し、χ″(ω)を増大せしめ、供給パワーと放出パワーの差が3ｘ1018erg/s cm3以上になれば昇温レートを100K/ns以上にすることができる。すなわちスピン波発振器により1ns以内に媒体微小部分の温度を100K（℃）以上上昇させることが可能となる。
【００３８】
スピントルク型発振器３の発振周波数fは、発振層３３が強磁性体の場合に式（２）のように表される。
【００３９】
【数２】
2005285242.tif 000004
【００４０】
ここで、γは磁気回転比、Hはハードバイアス膜３７１からのバイアス磁場、HK＝2Ku1／Msは発振層（第２磁性層３３）の異方性磁場、Ku1は発振層の異方性エネルギー、Msは発振層の飽和磁化である。バイアス磁場Ｈは高々数100Oeであり、4πMsは104Oe程度であるが、異方性磁場HKは適当な材料を選択することにより10〜5ｘ104Oeの広い範囲で変化させることができる。
【００４１】
すなわち式（２）からスピン波発振器３の発振周波数fは発振層３３の異方性磁場HKを変えることにより数100MHzから数10GHzの広い範囲で変化させることができる。
【００４２】
上に述べたＦｅＰｔ媒体の場合、共鳴周波数は約50GHzなので、スピン波発振器３の周波数も50GHz程度とすることが望ましく、そのためにはHK(104Oe（Ku1(107erg/cm3）の磁性薄膜を発振層３３として用いる必要がある。
【００４３】
ＦｅＰｔに限らず高密度記録媒体として用いられる磁性体膜の共鳴周波数は10GHz以上なので、発振層３３のKu1は5ｘ106erg/cm3以上であることが望ましい。そのような磁性体膜の例としては、ＣｏＣｒＴａ，ＣｏＣｒＴａＰｔ，ＣｏＣｒＴａＮｂなどのＣｏＣｒを５０原子％程度以上含む合金、Ｃｏ層／Ｐｄ層，Ｃｏ層／Ｐｔ層，ＣｏＣｒＴａ層／Ｐｄ層などのＣｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、さらに希土類を含むＳｍＣｏ系合金やＴｂＦｅＣｏ合金などが考えられる。
【００４４】
また、交換バイアスを利用した強磁性体／反強磁性体積層膜も大きな異方性磁場（この場合は１軸性ではなく１方向性）を示すことから、この積層膜を発振層３３として用いることも可能である。ここで、反強磁性体としてＦｅＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＮｉＭｎ、ＦｅＭｎＲｈ、ＲｈＭｎ、ＣｏＭｎ、ＣｒＭｎ、ＣｒＭｎＰｔ、ＣｒＭｎＰｔ、ＣｒＭｎＲｈ、ＣｒＭｎＣｕ、ＣｒＭｎＰｄ、ＣｒＭｎＩｒ，ＣｒＭｎＮｉ，ＣｒＭｎＣｏ，ＣｒＭｎＴｉ，ＰｔＭｎ，ＰｄＭｎ，ＰｄＰｔＭｎ，ＩｒＭｎなどを利用することができる。
【００４５】
一方、スピン共鳴型発振器では、発振層３３として強磁性体層と非磁性体層を積層したＣｏ層／Ｒｕ層、Ｃｏ層／Ｐｄ層，Ｆｅ層／Ｃｒ層などが繰返し積層された人工反強磁性体が用いられる。この場合の発振周波数は、式（３）のように表される。
【００４６】
【数３】
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【００４７】
ここでHEは強磁性体層間の交換磁場、HAは異方性磁場である。この場合、HAは高々1000Oe程度であるがHEは非磁性体層の膜厚に依存し膜厚が減少すると急速に増大する。従って、式（３）の発振周波数が10GHz以上となるためには、人口反強磁性体における非磁性体層の厚さを約1nm以下にすることが望ましい。
【００４８】
尚、人口反強磁性体中の強磁性体層の材料は、Fe, Co, Niおよび少なくともそのうちの一つを含む合金である。非磁性体層の材料は、Pt, Au, Ag, Cu, Cr, Ru, Pd, Rh, Re, Os, Mo, W、および少なくともそのうちの一つを含む合金である。
【００４９】
また、人口反強磁性体中の強磁性体層の厚さは、0.1nm以上2nm以下、より好ましくは1nm以下である。非磁性体層の厚さは、0.5以上2nm以下、より好ましくは1nm以下が好ましい。
【００５０】
本実施の形態の記録ヘッドによる書込みを図6のエネルギー図を用いて説明する。図６（a）は磁場照射中のエネルギー図を、図６（ｂ）は磁場照射後のエネルギー図である。各図の横軸は磁化の角度（上向き磁化（０°）、下向き磁化（１８０°））を表し、縦軸はエネルギーを表す。磁化の向きを反転させるには、図６（ａ）の異方性エネルギーKuを超えるエネルギーを与える必要がある。を用いて説明する。
【００５１】
まず、スピン波発振器３が発生するマイクロ波磁気エネルギーの吸収により約10〜約100psの間に磁気記録部の磁気温度（スピン系の温度）Tmが約104K程度に上昇する。この段階では記録トラックの微小部分の格子温度は上昇しないのでKu1も減少しない。記録トラックのスピン系に吸収されたエネルギーは1ns程度の時間で格子系に緩和するため微小部分の温度が100K程度上昇するが、この段階で記録トラックの異方性エネルギーKu1が減少する（図６（ａ）参照）。
【００５２】
磁気ディスクの回転により、微小部分がスピン波発振器３を離れ記録磁極５の直下に達すると、記録トラックのマイクロ波磁場が作用しなくなり、磁気温度は約1ns程度で室温に戻るが、格子温度は高温に保たれるためKu1は小さいままである。この段階で、微小部分に記録磁場が印加され、引き続き格子が冷えた段階で書込みを終える（図６（ｂ）参照）。
【００５３】
このように、本実施の形態の熱アシスト型記録ヘッドによれば、高周波発振器として微小スピン波発振器３を用い、その近接場により媒体磁化を加熱することができる。その際に、スピン波発振器３の発振周波数を磁気記録部の共鳴周波数に一致ないしは近づけることにより、加熱効率を飛躍的に増大せしめるものである。
【００５４】
（第２の実施の形態）
同様なマイクロ波加熱法は、MRAMの磁気情報書換えにも適用することができる。例えば、記憶セルの磁性トンネル接合の近傍に形成されたスピン波発振器３によるトンネル接合の加熱と、トンネル接合の近傍に設置された配線からの電流磁場を組み合わせることで、従来に比較してより小さな電流の下で磁化反転を行うことができる。
【００５５】
この記憶セルの構造例について図７の断面模式図を用いて説明する。図７の５０は、トンネル接合を含む記憶部である。記憶部は、少なくとも二つの磁性層５１、５３とその間に形成された非磁性誘電体よりなるトンネル層５２を備える。二つの磁性層５１、５３の一方を磁化が固定された、電流磁場等による外部磁場によっても実質的に回転しない磁化固定層とし、他方を外部磁場によって磁化が回転する磁化フリー層とすることができる。ここでは、仮に磁性層５１を磁化フリー層とする。磁化フリー層に対しては、電極を兼ねる配線５５、３９１に電流を流すことで生じる、図７の紙面内に含まれる回転磁場によって磁化が記録される。その際に、スピン波発振器３による加熱により、この磁化の記録が容易になり、記録用の電流量を小さくすることができる。この構造では、スピン波発振器３の高周波磁場は積層方向と垂直な面に広がる必要があるので、図３の構造で、ＹＺ面内に伸びる高周波磁場を利用する。
【００５６】
本実施の形態によれば、スピン波発振器によるマイクロ波熱アシスト法をMRAMにおける記憶磁化の書込みにも応用することができ、トンネル接合へ磁気情報の書込みを小電流にすることができる。
【００５７】
（実施例１）
次に、第１の実施の形態に関わるスピントルク型発信器の作成とその発振周波数について図８の断面模式図を用いて説明する。
【００５８】
まず、磁場中スパッタによる成膜と電子線リソグラフィーを用いて、Ｓｉ基板（図示せず）上に図８に示す積層構造を作製した。各層の厚さはＣｕ１（約100nm）／ＦｅＰｔ１（約50nm）／Ｃｕ２（約30nm）／ＦｅＰｔ２（約1nm）／Ｃｕ３（約10nm）／Ａｕ（約100nm）／Ｃｕ４（約100nm）、接合面積は約100ｘ100nm2とした。ＦｅＰｔ１、２には膜面の垂直方向が容易軸となる垂直磁気異方性を付与する。ＦｅＰｔ１、２の飽和磁化Ｍｓは800ガウス、異方性磁場HKは26KOeであった。この発振器の素子抵抗Ｒは25Ω、ＭＲ比＝ΔＲ／Ｒは約7%であった。
【００５９】
この発振器を中心導体幅５０μｍのコプレナガイドの一端に接続した。コプレナガイドの他端はマイクロ波プローバを介して特性インピーダンス50Ωの同軸ケーブルに接続した。発振器からのマイクロ波出力はプローバを介して同軸ケーブルに伝わり、さらにバイアスティーとプリアンプを介してスペクトラムアナライザーで検知される。素子を流れる直流電流の電流密度が4ｘ106A/cm2を超えるとスペクトラムアナライザーにより周波数58GHzのマイクロ波の発振が確認された。発振強度は電流密度とともに単調に増大するが2ｘ108A/cm2の電流密度で素子が破壊した。
【００６０】
（実施例２）
実施例２では、スピントルク型発振器の作製と発振周波数の測定を行った。
【００６１】
ここでは、ＦｅＰｔ１に替えて［Ｆｅ層（0.5nm）／Ｉｒ層（0.5nm）］ｎ積層膜を用いて実施例１と同様な方法で発振器を作製した。Ｆｅ層／Ｉｒ層の積層膜形成に際しては、1000Oeの磁場を面内に印加し、面内異方性軸が揃うようにした。積層回数nは20回とした。飽和磁化Msは850ガウス、面内の異方性磁場HKは15Koeであった。この素子の素子抵抗Rは35Ω、MR比＝ΔＲ／Ｒは約9%であった。この素子の面内容易磁化方向に500Oeのバイアス磁場を印加し、実施例１と同様の方法でスペクトラムアナライザーにより素子の発振を観測した。2ｘ105A/cm2以上の直流電流密度で周波数35GHzの発振が確認された。
【００６２】
（実施例３）
実施例３では、Ｆｅ層／Ｉｒ層に替えて磁性層としてＦｅ１（50nm）、Ｆｅ２（1nm）を用いる以外は実施例２と同様な方法で素子を作製した。飽和磁化Ｍｓは1700ガウス、面内の異方性磁場HKは500Oeであった。この素子の素子抵抗Ｒは15Ω、ＭＲ比＝ΔＲ／Ｒは約5%であった。この素子の面内容易磁化方向に500Oeのバイアス磁場を印加し、実施例１と同様の方法でスペクトラムアナライザーにより素子の発振を観測した。6ｘ105A/cm2以上の直流電流密度で周波数17GHzの発振が確認された。
【００６３】
（実施例４）
実施例４では共鳴磁気抵抗効果型のスピン波発振器の作製と発振周波数の測定を行った。
【００６４】
Ｓｉ基板上に図９の断面模式図に示すスピン波発振器を磁場中スパッタ法により作製した。放熱板を兼ねる上下電極としてCu層を用い、磁化の熱揺らぎを発生させる磁性層としてＦｅＰｔ（膜厚約1nm）を用い、スピン波発振層には人工反強磁性体（［膜厚約1nmのＣｏ層／膜厚約0.5nmのＰｄ層］）10を用いた。ＦｅＰｔ膜は実施例１と同様に面直方向が容易軸となる垂直磁気異方性を示し、飽和磁化Msは800ガウス、異方性磁場HKは26KOeであった。一方（Ｃｏ１ｎｍ／Ｐｄ０．５ｎｍ）10のＣｏ膜は垂直磁化膜となっており共鳴周波数は52GHzであった。尚、Ｃoの膜厚が１．５nm以下になると外部磁場などを加えなくても垂直磁化となる。
【００６５】
このスピン波発振器に105A/cm2の電流を流した状態で膜面に垂直方向に印加した外部磁場を変えながら発振器のマイクロ波発振を実施例１と同様の方法で測定したところ外部磁場が660〜700Oeの間で、周波数54GHzの発振が観測された。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に関わる磁気記録再生ヘッドと記録される磁気記録トラックの斜視図（ａ）と、スピン波発振器と磁気記録トラックの斜視図（ｂ）
【図２】第１の実施の形態に関わる膜面内磁化によるスピン波発振器を示す斜視も式図
【図３】第１の実施の形態に関わる膜面に垂直な磁化によるスピン波発振器を示す斜視模式図
【図４】媒体の記録ビットを示す上面模式図（a）、磁化方向を示す斜視模式図（ｂ）
【図５】スピン波発振器から媒体の微小部分に供給されるパワーと放熱レートとの関係
【図６】第１の実施の形態の磁気ヘッドによる書込みプロセス
【図７】本発明の第２の実施の形態に関わるトンネル接合の加熱方法を説明するための断面模式図
【図８】実施例１のスピントルク型スピン波発振器を示す断面模式図
【図９】実施例４のスピン共鳴型スピン波発振器を示す断面模式図
【符号の説明】
【００６７】
１・・・磁気記録トラック
１ａ，１ｂ・・・垂直磁化
３・・・スピン発振器
５・・・記録磁極
７・・・センス素子
９ａ，９ｂ・・・シールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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