JP2006332218A - 熱アシスト型のスピン注入磁化反転を利用した磁気記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピン注入磁化反転に要する電流密度を低減化する手段を提供するとともに、高密度磁気記録装置の磁気的メモリーセルに対して、外部磁場を利用することなく、メモリーセルに直接電流を流すことにより磁気的書き込み操作を行う手段を提供し、かつ、同等の素子構造において記録読み取り操作を可能とする高密度磁気記録装置を提供すること。
【解決手段】磁気記録媒体をレーザー光により、素子の温度を室温以上でキューリー温度以下の温度に加熱し、磁気記録媒体の保磁力を実効的に低下させるとともに、当該磁気記録媒体の磁気的メモリーセルに局所的に外部電流を印加することにより磁気的書き込み操作を実施する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ型積層構造を有する磁気抵抗効果素子を磁気記録素子として利用した高密度磁気記録装置に関する。

従来のハードディスクドライブ（ＨＤＤ）や磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）において、磁気的な記録書き込み操作には外部磁場反転方式を用いている。外部磁場反転方式では、磁気記録媒体の近傍に配置した配線に電流を流し、当該電流のつくる磁場を外部磁場として用いる。この外部磁場を磁気記録媒体中に配置されている特定の磁気的メモリーセルに作用させ、磁化の向きが固定されていない強磁性層（磁化自由層）の磁化方向を反転させることにより、磁気的メモリーセルへの記録書き込み操作を行うものである。

また、ＨＤＤの磁気ヘッドやＭＲＡＭにおいて、磁気的メモリーセルの記録読み出し操作には、強磁性金属多層膜が示す磁気抵抗効果を利用する。一般に、磁気抵抗効果とは、ある磁性体に磁場を印加したとき電気抵抗が変化する物理的現象である。強磁性金属層／非磁性金属層／強磁性金属層から成る金属多層膜構造において発見された巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果を利用した磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子）は、既にＨＤＤの磁気記録再生ヘッドに用いられており、最近では新しいタイプの不揮発性メモリとしてのＭＲＡＭ素子への応用も検討されつつある。また、近年、２つの強磁性層に絶縁層を挿入したトンネル接合、すなわち強磁性トンネル接合において、両強磁性層間を流れるトンネル電流を利用した磁気抵抗効果素子（トンネル磁気抵抗効果素子、ＴＭＲ素子）が見出されてきた。このＴＭＲ素子においては、磁気抵抗変化率がＧＭＲ素子を上回る（例えば、非特許文献１：J. Appl. Phys. 79, 4724(1996)）ため、磁気ヘッドや磁気抵抗効果メモリへの応用の可能性が高まっている。

最近、磁気的メモリーセルへの記録書き込み操作において、外部磁場反転方式とは原理的に異なるスピン注入磁化反転方式が提案され、非常に注目を集めている。このスピン注入磁化反転方式では、磁気的メモリーセルに直接電流を流して、その電子流が持つスピンの作用により強磁性体の磁化を反転するものである。例えば、Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ積層型のＧＭＲ素子において、スピン注入磁化反転現象の原理実験がなされている（例えば、非特許文献２：Phys. Rev. Lett. 84, 3149 (2000)）。ＧＭＲ素子を構成する金属膜に垂直に電流を流すことにより、磁化の向きが固定したＣｏ強磁性層（磁化固定層）より、磁化の向きが固定されていないＣｏ強磁性層（磁化自由層）にスピン偏極した電流（スピン電流）を注入する。このとき、配線のつくる外部磁場が存在しない条件下においても、スピン電流の作用によりスピントルク力が磁化自由層に発生し、磁化自由層の磁化方向を反転させることができる。

J. Appl. Phys. 79, 4724(1996) Phys. Rev. Lett. 84, 3149 (2000)

ＨＤＤやＭＲＡＭ等の高密度磁気記録装置において、前述の外部磁場反転方式を用いた場合には、配線電流のつくる磁場（外部磁場）は、空間的に広がった非局所的な場として強磁性体に作用する。このため、特定のメモリーセルに対して発生させたスイッチング磁場（磁化反転に要する外部磁場）が、隣接する他の複数のメモリーセルにも作用することになる。この問題は磁気メモリーセルの微小化および集積化に伴って深刻になり、個々の磁気記録ビットに対し独立な記録書き込み操作を実施することが非常に困難となる。また、磁気メモリーセルの微小化に伴うスイッチング磁場の増大は、記録書き込みのための配線電流の増大を必然的にもたらす。このため、ＨＤＤやＭＲＡＭの高密度化・大容量化に伴い、消費電力の増大が避けられない。また、配線電流の増大により、配線が溶融するといった問題も考えられる。

一方、スピン注入磁化反転方式では、発生するスピントルク力は、スピン電流の流れている領域のみで生じることから、他のメモリーセルへの影響はないという優れた特徴があり、高密度磁気記録装置に有効な磁気的書き込み手段を与えている。しかしながら、スピン注入磁化反転方式では、通常のＧＭＲ素子に流す電流密度（臨界電流密度）が１０^７Ａ／ｃｍ^２と大きくなり、消費電力の増大すること以外にも、エレクトロマイグレーションにより配線が劣化・破壊する可能性が生じる。スピン注入磁化反転方式の実用化には、この臨界電流密度の値を１桁から２桁（１０^５−６Ａ／ｃｍ^２）程度まで低減することが極めて重要な課題であると認識されている。また、ＭＲＡＭの磁気的メモリーセルとしてＴＭＲ素子を用いる場合には、ＴＭＲ素子を流れる電流がトンネル電流であるため、通常の電流では臨界電流値に達しない。さらには、ＴＭＲ素子では、印加電流を増大させると絶縁層の絶縁破壊といった問題が生じ、ＴＭＲ素子の有する高い磁気抵抗変化率が顕著に低下する恐れがある。

以上のように、外部磁場ではなくスピン電流によって磁化制御を行うスピン注入磁化反転方式は局所制御性には優れるものの、磁化反転に要する電流密度が大きいため、高密度磁気記録装置への実用化が困難となっている。

従って、本発明の目的は、スピン注入磁化反転に要する電流密度を低減化する手段を提供するとともに、高密度磁気記録装置の磁気的メモリーセルに対して、外部磁場を利用することなく、メモリーセルに直接電流を流すことにより磁気的書き込み操作を行う手段を提供し、かつ、同等の素子構造において記録読み取り操作を可能とする高密度磁気記録装置を提供することである。

磁気記録媒体をレーザー光により、素子の温度を室温以上でキューリー温度以下の温度に加熱し、磁気記録媒体の保磁力を実効的に低下させるとともに、当該磁気記録媒体の磁気的メモリーセルに局所的に外部電流を印加することにより磁気的書き込み操作を実施する。磁気的メモリーセルには従来の強磁性層／非磁性層／強磁性層のサンドイッチ型積層構造を有する磁気抵抗効果素子を利用し、外部磁場を用いることなく外部電流のみにより磁気的メモリーセルの磁化方向を制御することにより、磁気的メモリーセルへの記録書込み操作を行い、かつ通常の磁気抵抗効果を利用して磁化方向の読み出し操作を行う。

本発明の熱アシスト型のスピン注入磁化反転を利用した磁気記録装置は、磁化反転に必要な電流密度（臨界電流密度）を顕著に低減でき、かつ磁気的メモリーセルの微小化と集積化が容易であるため、現状より高密度の磁気記録が可能となる。また、臨界電流密度の低減化により、消費電力が小さく、メモリーセルの耐久性が強い磁気記録装置を提供することが可能であるとともに、高密度磁気記録、かつ磁気ランダムアクセスメモリへの応用を可能とする。

本発明の熱アシスト型のスピン注入磁化反転を利用した磁気記録装置は、磁化反転に必要な電流密度（臨界電流密度）を顕著に低減でき、かつ磁気的メモリーセルの微小化と集積化が容易であるため、現状より高密度の磁気記録が可能となる。また、臨界電流密度の低減化により、消費電力が小さく、メモリーセルの耐久性が強い磁気記録装置を提供することが可能である。

（実施例１）
図１に、本発明の実施例１の形態（断面図）を開示する。光学的に透明なガラス基板１１０表面上に形成した金属膜からなる電極１２０の上部に、強磁性金属層（磁化自由層）１２１、非磁性金属層１２２、強磁性層（磁化固定層）１２３から構成されるＧＭＲ素子構造を形成する。さらには、ＧＭＲ素子には、強磁性層１２３の磁化方向をピンする反強磁性金属層（磁化ピン止め層）１２４と金属電極１２５が形成され、１２１〜１２３が１個の磁気的メモリーセルとして機能する。磁気記録装置は、当該磁気的メモリーセルを基板上に多数個配列させた構造を有する。ここで、磁化固定層１２３の保磁力が大きく磁化方向が安定している場合には、必ずしも磁化ピン止め層１２４は必要ではない。

上記基板１１０の背面部に半導体レーザー１３０と対物レンズ１４０を設置して、半導体レーザーから発生させた光を、対物レンズを介して特定のメモリーセル近傍へと集光させる。これにより、特定のメモリーセルが局所的に加熱され、磁化自由層の保磁力が低減することになる。この状態において、ＧＭＲ素子を含むメモリーセルの上端部の金属電極１２５に対して、導電性を有する金属探針１５０を電気的に接触させ、当該金属探針に電源１２６より電流を流すことにより、磁化自由層の磁化反転を行い記録書き込み操作を行う。上記のメモリーセルは、基板表面上に２次元的に配列されており、上記金属探針１５０と基板１１０とを相対的に移動させることにより、個々のメモリーセルを特定して書き込み操作が可能である。他方、メモリーセルの記録情報（磁化方向）の読み取り操作には、ＨＤＤの再生磁気ヘッドと同様に、ＧＭＲ素子の磁気抵抗の変化を用いることができる。

図１に開示した磁気メモリーセル構造は、通常の磁性体加工技術を用いて作製された。基板１１０には、光学的に透明なガラス板（ＳｉＯ２）を用いた。まず、基板１１０上に、通常のスパッタ装置あるいは分子線蒸着（ＭＢＥ）装置を用いて、一様な膜厚１０ｎｍをもつ金属膜１２０（Ａｕ）を積層させた。そして、膜厚２ｎｍの磁化自由層１２１（ＣｏＦｅ）、膜厚５ｎｍの非磁性金属層１２２（Ｃｕ）、膜厚１０ｎｍの磁化固定層１２３（ＣｏＦｅ）、さらには磁化固定層の磁化方向を固定するための膜厚３ｎｍの反強磁性層１２４（ＭｎＩｒ）、さらには膜厚５ｎｍの金属電極１２５（Ａｕ）を積層形成させた。次に、電子線リソグラフィー装置あるいはイオンミリング装置を用いた微細加工技術を適用し、一様な積層膜１２１−１２５を元に、２０ｎｍ×２０ｎｍの面寸法をもつ柱状構造を間隔２０ｎｍで正方格子状に配列させ、多数のメモリーセル構造を作製した。また、導電性の探針１５０にはタングステン（Ｗ）を用い、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）のコンダクティブモードを利用し、カンチレバーに装着した探針の３次元的な位置制御を行った。

ＡＦＭを動作させ、原子間力の変化から基板状に配列したメモリーセルの凹凸を検出し、磁気的書き込みをおこなうメモリーセルの上部金属電極（凸状）１２５を選択し、カンチレバーの制御により導電性探針１５０を電極１２５に接触させた。さらには、上記基板の背面よりレーザー光を照射し上記メモリーセルを加熱した。

レーザー光の光源１３０には、通常の光磁気記録装置に用いられている半導体レーザー（青紫色、波長４０５ｎｍ）を利用した。当該光源から対物レンズ４０、あるいは、より集光度の高いＳＩＬ（Solid Immersion Lens）を介して、上記メモリーセルにレーザー光を照射し、基板状に整列した上記メモリーセルを温度６００℃に加熱した。加熱温度は熱電対により測定した。

メモリーセルを加熱した状態において、電流源１２６より、導電性探針１５０と接触した電極部分１２５に５０μＡの電流を流した。その結果、スピントルク力により磁化自由層１２１の磁化の向きが反転し、磁化自由層の磁化は磁化固定層の磁化の向きと平行になった。さらに、逆バイアスの電流（５０μＡ）を流すことにより、磁化の向きをもう一度反転させることができ、磁化自由層の磁化は磁化固定層の磁化の向きが反平行になった。これにより、磁気的な書き込み操作が可能となった。レーザー光によるメモリーセルの加熱を行わない場合には、上記のスピン注入磁化反転に必要な電流値の下限は２５０μＡであり、レーザー光を利用した熱アシスト効果により、磁化反転に必要な臨界電流値を１／５に低減できた。

また、磁化固定層と磁化自由層の磁化方向の相対的配置は、メモリーセル内のＧＭＲ素子の電気抵抗の変化から検出できる。レーザー光照射が終了した後に、メモリーセルの電気抵抗を測定したところ、磁化が反平行の場合には高抵抗値（５００Ω）、磁化が平行の場合には低抵抗値（４００Ω）を示し、メモリーセルの電気抵抗値の変化から磁気的情報の記録読み取り操作が可能となった。

上記基板１１０は、ＳｉＯ_２のみならず、レーザー光を透過でき、透過したレーザー光がメモリーセルを加熱することができる材料であればよい。また、磁化自由層および磁化固定層には、コバルト結晶（Ｃｏ）やパーマロイ（ＮｉＦｅ）等の通常ＧＭＲ素子を構成する他の強磁性材料を使用してもよい。また、メモリーセルのＧＭＲ素子機能部位には、ＧＭＲ素子の代わりに、強磁性金属層／絶縁層／強磁性金属層の３層構造からなるＴＭＲ素子構造を用いても良い。

図２に、Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ積層構造のＧＭＲ素子において、電流スイープによる磁気履歴曲線の温度（Ｔ）依存性を解析した結果（計算例）を示す。ここで、磁化自由層である一方のＣｏ強磁性層の面寸法は１０ｎｍ×１０ｎｍ、膜厚は１ｎｍとした。Ｃｏ磁化自由層の磁化方向は、ＧＭＲ素子を流す電流Ｉに依存して急峻に変化し、磁化反転が正負の電流密度の閾値（臨界電流密度）で磁化反転が起こることがわかる。さらには、この臨界電流密度は、温度とともに強磁性が消失するキューリー温度（約１４００Ｋ）以下の高温領域まで、１桁程度まで臨界電流密度値が低減することがわかる。これは、熱活性効果により、Ｃｏ磁性体の保磁力が温度とともに低下したためと考えられる。従って、メモリーセルを局所的に加熱する熱アシスト方式を用いることにより、より低い印加電流値によりＧＭＲ素子のスピン注入磁化反転操作が可能となることがわかる。

従来の光磁気記録方式では、磁気記録媒体に対して、レーザー光を局所的に照射し、磁気記録媒体の磁気記録セルを媒体のキューリー温度以上に昇温し、強磁性状態から常磁性状態への磁気相転移を誘起させた上で、外部より磁場を印加しながら冷却し磁化を固定することにより磁気記録を行っている。この方式では、キューリー温度以上に磁気記録媒体を加熱する必要があり、レーザーによる消費電力が増大するという欠点がある。また、光磁気記録方式では磁気記録密度の高密度化により、照射するレーザー光を微小な磁気記録ビットに選択的に照射する必要があるが、レーザー光の集光口経を光の波長以下の寸法まで小さくし、かつ加熱に必要な光強度を得ることは難しい。従って、光磁気記録方式では１００Ｇｂｉｔ／ｉｎ^２を超える高密度磁気記録装置の実現は困難である。

一方、本発明によれば、磁化書き込みを行う特定のメモリーセル内のＧＭＲ素子に流れる電流により磁化反転を行っているため、レーザー光により加熱する領域が他の複数セルにまたがったとしても、他のセルには電流が流れていないため、図２から明らかなように磁化書き込みを行うセル以外では磁化反転は生じない。このため、レーザー光の集光経が、メモリーセルの間隔より長く、いくつかのメモリーセルが同時に加熱されることになってもよい。また、キューリー温度以上に磁気記録媒体を加熱する必要がないため、磁化反転に必要なレーザー光強度も低減化される。

（実施例２）
図３に、本発明の実施例２の形態（断面図）を開示する。光学的に透明なガラス基板３１０表面上に金属電極３２０を形成した後、強磁性金属層（磁化自由層）３２１、非磁性金属層３２２、強磁性層（磁化固定層）３２３から構成されるＧＭＲ素子構造を形成する。さらには、ＧＭＲ素子には、強磁性層３２３の磁化方向をピンする反強磁性金属層（磁化ピン止め層）３２４と金属電極３２５が形成され、３２１〜３２３の積層構造が１個の磁気的メモリーセルとして機能する。磁気記録装置は、当該磁気的メモリーセルを基板状に多数個配列させた構造を有する。ここで、磁化固定層の保持力が大きく磁化方向が安定している場合には、必ずしも、磁化ピン止め層３２４は必要ではない。

さらには、上記基板の背面部に半導体レーザー３３０と対物レンズ３４０を設置して、半導体レーザーから発生した光を、対物レンズを介して特定のメモリーセル近傍へと集光させる。これにより、特定のメモリーセルが局所的に加熱され、磁化自由層の保持力が低減することになる。この状態において、ＧＭＲ素子を含むメモリーセルの上端部の金属電極３２５側に配線したビット線３５０と、メモリーセルの上部電極３２０側に配線したワード線（前記のビット線とは直交する）３６０により特定したメモリーセル３２１〜３２３に電流を流し磁気記録書き込み操作を行う。メモリーセルの記録情報（磁化方向）の読み取り操作には、ＨＤＤの再生磁気ヘッドと同様に、ＧＭＲ素子の電気抵抗の変化を用いることができる。

図３に開示した磁気的メモリーセル構造は、前記実施例１と同様なプロセスに従って作製した。基板試料３１０には、光学的に透明なガラス板（ＳｉＯ_２）を用いた。まず、この基板上に、通常のスパッタ装置あるいは分子線蒸着（ＭＢＥ）装置を用いて、一様な膜厚１０ｎｍをもつ金属膜３２０（Ａｕ）を積層させた。そして、膜厚２ｎｍの磁化自由層３２１（ＣｏＦｅ）、膜厚５ｎｍの非磁性金属層３２２（Ｃｕ）、膜厚１０ｎｍの磁化固定層３２３（ＣｏＦｅ）、さらには磁化固定層の磁化方向を固定するための膜厚３ｎｍの反強磁性層３２４（ＭｎＩｒ）、さらには膜厚５ｎｍの金属電極３２５（Ａｕ）を積層形成させた。次に、電子線リソグラフィー装置あるいはイオンミリング装置を用いた微細加工技術を適用し、一様な積層膜３２０−１２５を元に、２０ｎｍ×２０ｎｍの面寸法をもつ柱状構造が間隔２０ｎｍで正方格子状に配列された多数のメモリーセル構造を作製した。さらに、メモリーセルの上部電極３２５にはビット線を３５０、下部電極３２０にはワード線３６０を結線させ、ＭＲＡＭを作製した。

実施例１と同様なプロセスに従って、半導体レーザー３３０から発生させた光を、対物レンズ３４０を介して特定のメモリーセル近傍へと集光させ、レーザー光をメモリーセルに照射し、メモリーセルを加熱した。ビット線３５０とワード線３６０により、特定のメモリーセルに対して選択的に電流（５０μＡ）を流した結果、実施例１と同等な書き込み操作が実施でき、同等な結果を得た。読み込み操作についても、ビット線３５０とワード線３６０により選択したメモリーセルの電気抵抗の変化を検出することにより実施し、実施例１と同等なデバイス特性をもつ熱アシスト型のスピン注入磁化反転を実現した。

次に、図３に開示した磁気的メモリーセルを用いた固体メモリの例を図４に示す。図４は、図３に示した磁気的メモリーセルをＸ−Ｙマトリクス状に配列した例として縦２列、横２列の場合の固体メモリを示す図である。図４では、ビットライン７１１_１、ビットライン７１１_２と、ワードライン７１２_１、ワードライン７１２_２との交点に図３に示した磁気的メモリーセルが配置されている。７１５はビットラインのデコーダ、７１６はワードラインのデコーダである。デコーダ７１５および７１６が書き込みあるいは読み出しのアドレス指定に対応して、ビットラインおよびワードラインの一つが選択され磁気的メモリーセルに電流が供給される。なお、ワードラインはＭＯＳ−ＦＥＴ７１４のゲートの開閉により、データライン７１３に選択的に接続される。

例えば、ビットライン７１１_１と、データライン７１３と選択的に接続されたワードライン７１２_１との間に１０^６Ａ／ｃｍ^２の電流を供給することにより、図４における磁化自由層３２１の磁化の向きが反転、あるいは保持される。すなわち、図３における磁化自由層３２１の磁化の方向を変化させることにより書き込みが行われる。一方、読み出しは、例えば、ビットライン７１１_１と、データライン７１３と選択的に接続されたワードライン７１２_１との間に電圧を印加することにより、図３における磁化固定層３２３、磁化自由層３２１の磁化の相対向きに依存した抵抗を読み出すことにより行われる。

（実施例３）
図５に、本発明の実施例３の形態（断面図）を開示する。非磁性基板４１０表面上に形成した金属電極４２０の上に、まず、反強磁性金属層（磁化ピン止め層）４２１を形成し、さらには、強磁性金属層（磁化固定層）４２２、非磁性金属層４２３、強磁性層（磁化自由層）４２４の３層膜から構成されるＧＭＲ素子、及び金属電極４２５を形成する。ここで、４２２〜４２４の積層構造が１個の磁気的メモリーセルとして機能する。磁気記録装置は、当該磁気的メモリーセルを基板状に多数個配列させた構造を有する。磁化固定層の保持力が大きく磁化方向が安定している場合には、必ずしも、磁化ピン止め層４２１は必要ではない。

次に、図５において、上記の磁気的メモリーセルを加熱するとともに電流を流す手段を説明する。探針形状の光ファイバー（以下、探針という）４３０の周囲を金属膜４３１，４３２で被覆し、探針４３０の一方の光開口部からレーザー光を入射し、探針４３０先端部まで集光させ、探針先端に設けた微小な開口部より当該レーザー光を探針直下の磁気的メモリーセルに照射し、当該磁気的メモリーセルを加熱する。さらには、その金属被覆した探針４３０の金属部分を当該磁気的メモリーセルの電極４２５に接触させＧＭＲ素子に電源４４０より電流を流し、磁化自由層４２４の磁化反転操作を行う。これにより、入射レーザー光による加熱と探針４３０の金属膜４３２を介しての通電を行うことが可能となる。

上記レーザー光は、半導体レーザー４５０より対物レンズ４５１を介して、探針４３０の一方の開口部に照射する。探針４３０の位置制御には、公知の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で用いられる光テコ方式を用いることができる。ここで、上記探針４３０をカンチレバー４４０に形成し、カンチレバー４４０はピエゾ走査素子４６０により駆動する。ピエゾ走査素子４６０には、探針４３０が接触すべきメモリーセルにアクセスするための位置信号４８０が与えられる。本発明では、カンチレバー４４０上で上記探針の半導体レーザー光を受ける開口の近傍に反射板４５２を形成し、メモリーセルを加熱する目的で発生させた上記半導体レーザー光の一部を反射板４５２によって反射させ、４分割フォトダイオード４５３により反射光を検知する。探針４３０と磁気的メモリーセルとの間に生じる原子間力により引き起されるカンチレバーの微小な歪み（変位）を、４分割フォトダイオード４５３によって検知される反射光の強度変化により測定することができ、多数に配列したメモリーセルの凹凸構造から特定のメモリーセルにアクセスすることができる。フォトダイオード４５３とピエゾ素子４６０の間には電気的なフィードバック回路４７０を設け、探針の位置制御を精密に行う。

図５に開示した磁気的メモリーセル構造は、前記実施例１と同様なプロセスに従って作製した。基板試料４１０には、Ｓｉ半導体を用い、表面５ｎｍを自然酸化あるいはプラズマ酸化法により絶縁膜（ＳｉＯ_２）を形成した。次に、この基板上に、通常のスパッタ装置あるいは分子線蒸着（ＭＢＥ）装置を用いて、一様な膜厚１０ｎｍをもつ金属膜４２０（Ａｕ）を積層させた。そして、膜厚３ｎｍの反強磁性層４２１（ＭｎＩｒ）、膜厚１０ｎｍの磁化固定層４２２（ＣｏＦｅ）、膜厚５ｎｍの非磁性金属層４２３（Ｃｕ）、膜厚２ｎｍの磁化自由層４２４（ＣｏＦｅ）、膜厚５ｎｍの金属電極４２５（Ａｕ）を順次形成した。磁化自由層４２４が上部電極４２５側に構成されている点が特徴であり、実施例１のメモリーセル構造を上下反転させた構造をとる。次に、実施例１と同様に、電子線リソグラフィー装置あるいはイオンミリング装置を用いた微細加工技術を適用し、一様な積層膜１２１−１２５をもとに、２０ｎｍ×２０ｎｍの面寸法をもつ柱状構造を間隔２０ｎｍで正方格子状に配列させ、多数の磁気メモリーセル構造を作製した。

実施例３で用いた探針４３０，４３１，４３２は、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工装置により光ファイバー（ＳｉＯ_２）の先端部分を先鋭化した後、ＭＢＥ装置により、光ファイバーの表面全体に膜厚５ｎｍの金属膜（Ｗ）を蒸着した。さらに、ＦＩＢ加工装置を用いて、この金属膜で被覆した光ファイバー探針から、先端部と末端部の金属を除去し、両端に光の開口部を形成した。この探針構造により、メモリーセルの加熱と電流注入を行うことができる。

カンチレバー４４０に当該探針４３０を取り付けた後、通常の光磁気記録装置に用いられている半導体レーザー４５０（青紫色、波長４０５ｎｍ）を光源として、対物レンズ４５１、あるいは、より集光度の高いＳＩＬ（Solid Immersion Lens）４５１を介して、当該探針末端の開口部よりレーザー光を入射させ、探針先端の開口部よりレーザー光をメモリーセルへと照射する。さらには、光ファイバーを被覆した金属の一部をメモリーセルの上部電極４２５に接触させる。これにより、レーザー光によるメモリーセルの加熱とメモリーセルへの電流注入を行った。

探針の位置制御には、ＡＦＭの光テコ方式を用いた。探針末端の開口部の近傍に反射鏡４５２を設置し、メモリーセルを加熱するためのレーザー光の一部を当該反射鏡により反射させ、フォトダイオード４５３で電気信号に変換する。さらに、当該電気信号とピエゾ素子４６０の駆動電圧フィードバック回路４７０により制御することにより、探針の位置制御を行った。以上により、実施例１と同等なデバイス特性をもつ熱アシスト型のスピン注入磁化反転を実現した。

実施例３では、磁気メモリーセルを加熱するレーザー光とカンチレバーの位置制御を行うレーザー光には同一の光源（半導体レーザー）を用いたが、２個の半導体レーザー光源を用い、一方の光源で磁気メモリーセルを加熱し、他方の異なる光源によりカンチレバーの位置制御を行ってもよい。

（実施例４）
上記探針４３０を構成する光ファイバーを被覆する金属膜の形状には、図６に示したように、光ファイバー５０の外径上に、互いに電気的に絶縁された２個の金属膜５１，５２から形成される構造を用いてもよい。このとき、光ファイバー内を透過するレーザー光は、金属膜５１及び５２内部に生じたプラズマ振動の効果により、上記探針先端の開口部より放射される光強度が増大し、より効率良くメモリーセルを加熱できる［Appl. Phys. Lett. 70, 1354(1997)］。ここで、メモリーセルに流す電流の接触電極には、金属膜５１または５２の一部を用いる。

実施例４の探針構造は以下のようにして作製した。ＦＩＢ加工装置により光ファイバー（ＳｉＯ_２）５０の先端部分を先鋭化した後、ＭＢＥ装置により、光ファイバーの表面全体に膜厚５ｎｍの金属膜（Ｗ）を蒸着した。さらに、ＦＩＢ加工装置を用いて、まず、金属膜で被覆した光ファイバー探針から先端部と末端部の金属を除去し、その両端において光に対して透過な開口部を形成した。さらには、光ファイバーの周囲を被覆している金属膜の一部を除去し、互いに電気的に絶縁化された２個の金属膜５１，５２へと分離した。金属膜５１あるいは５２の一部を、実施例３に記述したように、メモリーセルの上部電極に接触させメモリーセルへの通電を行い、実施例３と同様な動作を実施した。

（実施例５）
上記探針を構成する光ファイバー（ＳｉＯ_２）５０の先端部分を先鋭化する代わりに平坦化して、この端面を図７に示した構造のアンテナと探針とを構成する金属膜で覆った構造とすることが可能である。ガラス基板６０上に、お互いに電気的に絶縁された３個の金属膜６１，６２，６３を形成し、金属膜６１と６２を前述のプラズマ振動が生じる蝶ネクタイ型アンテナ構造として、また金属膜６３を磁気メモリーセルに通電する電極部として用いるものである。

図７に開示した探針構造は、以下のようにして作製した。通常のスパッタ装置あるいは分子線蒸着（ＭＢＥ）装置を用いて、光学的に透明なガラス板（ＳｉＯ_２）６０上に一様な膜厚５ｎｍをもつ金属膜（Ｗ）を蒸着した後、ＦＩＢ加工装置あるいはイオンミリング装置により、蝶ネクタイ状のアンテナ構造をとる金属膜６１，６２、およびメモリーセルに電流注入する金属探針部６３を形成した。互いに対向する金属膜６１，６２の間隔は２００ｎｍとした。金属探針部６３は、金属膜の対向線上から５０ｎｍ離れた位置に形成した。本探針構造をＡＦＭのカンチレバーに取り付け、実施例３と同様な動作を実施した。

（その他の実施例）
また、図１及び図５に対応する実施形態において、ＸＹ平面上に多数の磁気的メモリーセルを構成し、Ｘ方向またはＹ方向の複数個の磁気的メモリーセル、例えば、１バイトの磁気的メモリーセルのそれぞれに独立して接触できる複数個の探針を用意し、１バイトの磁気的メモリーセル単位で探針の位置を制御して、高速な記録書き込み操作と読み取り操作が可能となる。なお、この場合、複数個の探針のそれぞれにレーザー光の光源を備えることにするのが良い。

本発明の実施例１の形態を示す断面図である。 Ｃｏ／Ｃｕ／Ｃｏ積層構造のＧＭＲ素子において、電流スイープによる磁気履歴曲線の温度（Ｔ）依存性を解析した結果（計算例）を示す図である。 本発明の実施例２の形態を示す断面図である。 図３に開示した磁気的メモリーセルを用いた固体メモリの例を示す図である。 本発明の実施例３の形態を示す断面図である。 本発明の実施例４の探針を構成する光ファイバーを被覆する金属膜の形状を示す図である。 本発明の実施例５の探針を構成する光ファイバーを被覆する金属膜の形状を示す図である。

符号の説明

１１０，３１０，４１０…基板、１２０，３２０，４２０…金属膜電極、１２１，３２１…強磁性金属層（磁化自由層）、１２２，３２２…非磁性金属層、１２３，３２３…強磁性層（磁化固定層）、１２４，３２４…反強磁性金属層（磁化ピン止め層）、１２５，３２５…金属電極、１２６…電源、１３０，３３０…半導体レーザー、１４０，３４０…対物レンズ、３５０，７１１…ビット線、３６０，７１２…ワード線、７１３…データライン、７１４…ＭＯＳ−ＦＥＴ、７１５…ビットラインのデコーダ、７１６…ワードラインのデコーダ、４２１…反強磁性金属層（磁化ピン止め層）、４２２…強磁性金属層（磁化固定層）、４２３…非磁性金属層、４２４…強磁性層（磁化自由層）、４３０…探針、４２５…磁気的メモリーセルの電極、４３１，４３２…金属膜、４４０…電源、５０…光ファイバー、５１，５２…金属膜、６１，６２…金属膜、６３…金属探針部。

Claims (17)

1. 基板上に配列した磁気記録素子を局所的に加熱する手段と、前記磁気記録素子のそれぞれに外部電流を流す手段を備えた磁気記録媒体において、前記磁気記録素子を加熱するとともに前記磁気記録素子のひとつに外部電流を流すことにより、個々の前記磁気記録素子に独立に磁気的書き込み操作を実施することを特徴とする磁気記録装置。
2. 前記磁気記録素子への電流の供給が、導電性を有する金属探針を当該磁気記録素子に接触させて行われる請求項１記載の磁気記録装置。
3. 基板上に第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層を積層させた３層構造を有する磁気記録素子を形成した後、前記基板の背面よりレーザー光を照射し、前記基板上の所定の領域の前記磁気記録素子を局所的に加熱するとともに、前記磁気記録素子のひとつに外部電流を流し、個々の前記磁気記録素子の第１の強磁性層の磁化方向を独立に反転させることを特徴とする磁気記録装置。
4. 前記磁気記録素子への電流の供給が、導電性を有する金属探針を当該磁気記録素子に接触させて行われる請求項３記載の磁気記録装置。
5. 前記磁気記録素子が、前記基板上に設けられる直交するビット線とワード線の交点の位置に形成され、ビット線とワード線から選択される電極を介して当該磁気記録素子に外部電流を供給する請求項３記載の磁気ランダムアクセスメモリ。
6. 基板上に第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層を積層させた３層構造を有する磁気記録素子を形成した後、先端部が先鋭化された光学的素子を金属膜により被覆した導電性探針を前記磁気記録素子に接触させ、前記光学的素子を介してレーザー光を照射し前記磁気記録素子を加熱するとともに、前記光学的素子を被覆した前記金属膜より外部電流を前記磁気記録素子に流すことにより、前記磁気記録素子の第１の強磁性層の磁化方向を反転させることを特徴とする磁気記録装置。
7. 前記光学的素子を被覆した前記金属膜が、互いに電気的に絶縁され、且つ対向した二つの金属膜として光学的素子上に形成され、一方の金属膜のみに電流を流す請求項６記載の磁気記録装置。
8. 前記導電性探針の先端部を平坦な面に形成し、該平坦な面にアンテナとして機能する対となる絶縁された二つの金属膜と、これらの金属膜の対向している部分に近接して絶縁された第３の金属膜を形成して、該第３の金属膜を介して前記磁気記録素子に電流を流す請求項６記載の磁気記録装置。
9. 前記磁気記録素子がＸＹ平面上に多数形成され、Ｘ方向またはＹ方向の複数個の前記磁気記録素子のそれぞれに独立して接触できる複数個の探針を備え、複数個の前記磁気記録素子単位で探針の位置を制御する請求項３記載の磁気記録装置。
10. 前記磁気記録素子がＸＹ平面上に多数形成され、Ｘ方向またはＹ方向の複数個の前記磁気記録素子のそれぞれに独立して接触できる複数個の探針を備え、複数個の前記磁気記録素子単位で探針の位置を制御する請求項６記載の磁気記録装置。
11. 前記複数個の探針のそれぞれが独立の光源からレーザー光が供給されるものである請求項９記載の磁気記録装置。
12. 前記複数個の探針のそれぞれが独立の光源からレーザー光が供給されるものである請求項１０記載の磁気記録装置。
13. 前記基板上に形成された第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の積層構造よりなる磁気記録素子の、電流によって磁化方向を反転させる強磁性層を、前記磁気記録素子に照射されるレーザー光の光源に近い位置に配置する請求項３記載の磁気記録装置。
14. 前記基板上に形成された第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の積層構造よりなる磁気記録素子の、電流によって磁化方向を反転させる強磁性層を、前記磁気記録素子に照射されるレーザー光の光源に近い位置に配置する請求項６記載の磁気記録装置。
15. 前記基板上に形成された第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の積層構造よりなる磁気記録素子の、強磁性層の磁化の向きを固定して使用する強磁性層に接して反強磁性層を付加する請求項３記載の磁気記録装置。
16. 前記基板上に形成された第１の強磁性層／非磁性層／第２の強磁性層の積層構造よりなる磁気記録素子の、強磁性層の磁化の向きを固定して使用する強磁性層に接して反強磁性層を付加する請求項６記載の磁気記録装置。
17. 前記磁気記録素子を加熱する温度が、当該磁気記録素子を構成する強磁性体のキューリー温度より低い請求項１記載の磁気記録装置。

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