磁気記録ヘッド、磁気記録方法、磁気記録装置および磁気メモリ
【課題】アシスト用のマイクロ波磁場を適切な条件で印加することにより、記録磁場を低減できる磁気記録ヘッドを提供する。
【解決手段】磁気記録媒体に記録磁場を印加する記録磁極と、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録ヘッド。
【解決手段】磁気記録媒体に記録磁場を印加する記録磁極と、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ヘッド、磁気記録方法、磁気記録装置、および磁気メモリ（ＭＲＡＭ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
読み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を含み、約１０％の磁気抵抗効果を示し、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2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／強磁性層の積層膜を含み、最大で５０％程度のＭＲ比が得られており、３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2の記録密度に対応できると考えられている。
【０００４】
さらに、５００Ｇｂｐｓｉ以上の高密度記録に対応可能な読み出し用磁気ヘッドとして、垂直通電型のＧＭＲ素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）、スピンバルブトランジスタ、共鳴磁気抵抗効果素子などの新しい素子の開発が進められている。
【０００５】
一方、５００Ｇｂｐｓｉ以上の磁気記録ではビットサイズが５０ｎｍ以下になるので、微小磁化の熱ゆらぎを低減するため媒体の保磁力が極めて大きくなる。そのため、書き込み時には磁場と熱を同時に供給する熱アシストなどの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ＧＨｚの高速性と数十ｎｍの局所性を併せ持つ大きなパワー密度の熱照射が必要になるため、レーザー熱アシストなどの方法が提案されている。
【０００６】
記録書き込みの問題は固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）においても存在する。従来のＭＲＡＭにおける２本の電流線による書き込み法では、高集積化に伴い書き込み磁場（電流）の増大が指摘されており、新規な書き込み法の開発が必要になっている。
【０００７】
本発明者らはすでに、アシスト用のマイクロ波磁場を印加するスピン波発振器を備えた磁気記録ヘッドおよび磁気メモリを提案している（特許文献１）。
【０００８】
しかし、従来はアシスト用のマイクロ波磁場の適切な条件を考慮しておらず、磁気記録ヘッドの記録磁場や磁気メモリの書き込み電流を低減できる余地があることがわかってきた。
【特許文献１】特開２００５−２８５２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、アシスト用のマイクロ波磁場を適切な条件で印加することにより、磁気記録ヘッドの記録磁場や磁気メモリの書き込み電流を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、磁気記録媒体に記録磁場を印加する記録磁極と、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録ヘッドが提供される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、磁気記録媒体に記録磁極から記録磁場を印加して磁気記録を行う方法において、前記記録磁極の近傍に、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源を設け、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応する周波数のマイクロ波磁場を印加することを特徴とする磁気記録方法が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の１ビットの領域に記録磁場を印加する記録磁極と、前記磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加するマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の１ビットの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録装置が提供される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、磁化フリー層、トンネル絶縁層および磁化固定層を有する磁性トンネル接合素子を含むメモリセルと、前記磁性トンネル接合素子に対してパルス磁場を印加する電流ラインと、前記磁性トンネル接合素子にマイクロ波磁場を印加して前記磁化フリー層の磁化反転をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から前記磁化フリー層に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記パルス磁場が印加された前記磁化フリー層の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気メモリが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アシスト用のマイクロ波磁場を適切な条件で印加することにより、磁気記録ヘッドの記録磁場や磁気メモリの書き込み電流を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図を示す。
【００１７】
磁気記録媒体１０は基板１１上に磁気記録層１２を成膜した構造を有する。なお、下地層や保護層は省略している。磁気記録層１２はたとえば垂直磁気異方性を有する材料からなり、磁気記録層１２の各ビット１５に相当する領域は上向きまたは下向きに磁化されている。
【００１８】
磁気記録媒体１０上には磁気ヘッド２０が配置される。この磁気ヘッド２０は再生ヘッド３０と記録ヘッド４０とを含む。
【００１９】
再生ヘッド３０は、ＧＭＲ素子３１とその前後に設けられた磁気シールド３２、３３を含む。ＧＭＲ素子３１は、磁化フリー層、スペーサ層および磁化固定層を含む。
【００２０】
記録ヘッド４０は、記録磁極４１と、記録磁極４１を励磁するコイル４２を含む。図１では、再生ヘッド３０の磁気シールド３３がリターン磁極を兼ねているが、磁気シールド３３とは独立してリターン磁極を形成してもよい。さらに、図１の記録ヘッド４０は、磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源として、マイクロ波電流配線５１を含む。マイクロ波電流配線５１はマイクロ波発振器５２に接続されている。
【００２１】
本発明者らは、記録磁極４１から磁気記録層１２の１つのビット１５に記録磁場が印加されたとき、そのビット１５の磁化の共鳴周波数が変わることを見出した。すなわち、磁気記録層１２の１つのビット１５の磁化を反転させるために、そのビット１５の磁化に対して反平行に記録磁場が印加されたとき、記録磁場ゼロの場合と比較して、磁化の共鳴周波数が低下することを見出した。
【００２２】
一方、マイクロ波発振器５２からマイクロ波電流配線５１にマイクロ波電流を流すと、図１に破線で示すように、磁気記録媒体１０に対して垂直方向成分をもつマイクロ波磁場を発生させることができる。電流磁場の空間分布は、電流の周りの透磁率の分布に依存し、透磁率の大きい部分に磁束が集中することが知られている。
【００２３】
本発明においては、マイクロ波電流配線５１から磁気記録媒体１０に印加されるマイクロ波磁場の周波数を、記録磁場が印加されたことによって低下する磁気記録層１２の磁化の共鳴周波数と一致させるかその近傍の値に設定する。この結果、記録磁場が印加された記録磁極４１直下のビット１５の磁化はマイクロ波磁場と共鳴状態にあるが、それ以外の他のビット１５の磁化はマイクロ波磁場と非共鳴状態にある。磁化が共鳴状態にあるビット１５の透磁率は、磁化が非共鳴状態のビットの透磁率に比較して大きいので、図１に示したように記録磁極４１直下のビット１５に磁束が集中する。一方、磁化が非共鳴状態にあるビット１５に磁束が集中することはない。この結果、記録磁極４１直下のビット１５のみを選択的かつ容易に反転させることができる。
【００２４】
上述したように、マイクロ波電流配線５１から磁気記録媒体１０に印加されるマイクロ波磁場の周波数を適切に設定することによって、記録磁極４１直下のビット１５のみを選択的に反転させることができ、それ以外の他のビット１５を反転させることがないので、マイクロ波磁場発生源（図１ではマイクロ波電流配線５１）の大きさ（面積）が、磁気記録層１２の１つのビット１５の大きさ（面積）より大きくてもよいし、マイクロ波磁場発生源（図１ではマイクロ波電流配線５１）の位置が記録磁極４１の位置と一致していなくてもよい。
【００２５】
図２に示すように、記録磁極４１に対して複数（この場合２つ）のマイクロ波磁場発生源（マイクロ波電流配線５１）を設けてもよい。
【００２６】
したがって、マイクロ波磁場発生源の大きさ、位置、数に対する制限が少ないため、実施形態に係る磁気記録ヘッドは設計および製造の自由度（マージン）が大きく、実用上有利である。たとえば、マイクロ波電流配線５１の面積が大きくてもよいということは、通電する電流値を小さくしてもよいことを意味し、マイクロ波発振器５２の性能に対する要求を低減できる。
【００２７】
マイクロ波磁場の印加による磁気記録へのアシスト作用は、次の２つの原理に基づいて発生すると考えられる。
【００２８】
第１の原理は、マイクロ波磁場の印加により、磁化の磁気共鳴を起こして反転することによるものである。第２の原理は、マイクロ波磁場の印加により、磁化が磁気共鳴吸収を起こし、磁気記録層が加熱されて磁化が反転することによるものである。
【００２９】
前者は減衰定数αの小さな磁性材料で形成された磁気記録層において主要な原理となる。後者は減衰定数αの大きな磁性材料で形成された磁気記録層において主要な原理となる。
【００３０】
図３を参照して、第１の原理によるマイクロ波磁場のアシスト作用を説明する。磁気記録層が大きな異方性磁場Ｈkを有することを想定し、磁化Ｍと逆向きに記録磁場Ｈextを印加した場合を考える。ＨextはＨkより小さいのでこの状態では磁化反転は生じない。しかし、記録磁場を印加すると同時に、（１）式で表される共鳴周波数ｆ0に対応する周波数のマイクロ波磁場ｈを印加すると、磁化Ｍは矢印で示すように歳差運動を始める。（１）式のγは磁気回転比である。
【００３１】
ｆ0＝（γ／２π）（Ｈk−Ｈext） （１）
マイクロ波磁場ｈが十分大きく、
（γ／２π）ｈ＞αｆ0 （２）
で表される（２）式の関係が満たされれば、図３に示すように歳差運動の振幅は時間とともに増大し、磁化Ｍは反転する。
【００３２】
たとえば、ＦｅＰｔからなる磁気記録層ではＨk〜２×１０4Ｏｅであり、記録磁場ゼロのときの共鳴周波数は約５０ＧＨｚである。記録磁極からＨext＝１×１０4Ｏｅの記録磁場を印加したとき、記録磁極直下のビットの共鳴周波数は約２５ＧＨｚに低下する。ｆ0＝２５ＧＨｚ，α＝０．０５の場合、（２）式から反転に必要なマイクロ波磁場はｈ＞４５０Ｏｅとなる。数値シミュレーションによれば、１ｎｓ以下の時間で磁化を反転させるには、１０００Ｏｅ程度の磁場が必要なことが予測されている。図１のマイクロ波電流配線５１と記録すべきビットとの距離を１０ｎｍとすると、そのビットに１０００Ｏｅのマイクロ波磁場を発生させるために必要なマイクロ波電流は１ｍＡ程度となる。第１の原理に基づいた磁化反転は、磁化の歳差運動に伴うスピン系のエネルギーが格子系に緩和する程度の時間内で生じるため、格子系の温度（媒体ビットの温度）はほとんど上昇しない。
【００３３】
磁気記録媒体の減衰定数αが大きい場合には（２）式から明らかなように共鳴反転に必要なマイクロ波磁場ｈが増大し、たとえばα＝０．２では５０００Ｏｅを大きく超えるマイクロ波磁場が必要になることが予測される。
【００３４】
しかし、減衰定数αが大きい磁気記録媒体に関しても上述した第２の原理、すなわちマイクロ波磁場の印加による共鳴吸収加熱を利用した磁化反転が可能である。磁気記録媒体に吸収されるマイクロ波パワーは媒体の帯磁率の虚数部χ”に依存し、マイクロ波磁場をｈとすると、
Ｐ＝（１／２）χ”ｈ2ω （３）
と表される。χ”（ω）は周波数に強く依存し、磁気記録媒体の共鳴周波数から離れた周波数では１以下と小さいが、共鳴周波数またはその近傍では１０〜１００程度に増大する。磁気記録媒体の加熱効率は吸収パワーに依存するので、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。
【００３５】
垂直磁化媒体では、共鳴周波数ｆ0は（１）式で表される。上述したように、書き換えを行う場合、磁気記録層の磁化と逆向きに記録磁場が印加されるので、共鳴周波数はＨkとＨextの差に比例して低下する。
【００３６】
上記の例では図１の記録磁極直下のビットの共鳴周波数は、記録磁場がゼロである他のビットの共鳴周波数（５０ＧＨｚ）に比較して、大幅に低下し２５ＧＨｚとなっている。すなわち、３０ＧＨｚ以下のマイクロ波磁場により記録磁極直下のビットのみが選択的に加熱されるが、他のビットでは共鳴吸収が起こらずほとんど加熱されない。
【００３７】
図４に、第２の原理による書き込みのプロセスを示す。
マイクロ波磁場発生源（マイクロ波電流配線５１）が発生するマイクロ波磁場のエネルギーを吸収することにより、磁化は歳差運動を開始する。しかし、減衰定数αが大きいと、磁化反転は生じない（図４ａ）。
【００３８】
歳差運動に伴う磁気的エネルギーは速やかに格子系に流れ込み磁性材料の温度を上昇させる。たとえば、α＝０．２、ｆ0＝２５ＧＨｚの場合の格子系への緩和時間は僅かに０．２ｎｓである。マイクロ波磁場を４０００〜５０００Ｏｅとすると、毎秒１０18ｅｒｇ／ｓ程度のエネルギーが格子系へ供給される。ＦｅＰｔ層の熱容量は約３×１０7ｅｒｇ／Ｋｃｍ3なので、マイクロ波磁気エネルギーの吸収により１ｎｓの間に、媒体温度を数十Ｋ〜１００Ｋ程度上昇させることができる。媒体温度が上昇すると通常のレーザーアシストと同様にＫu1が減少し、記録ヘッドの磁場により磁化反転すなわち書き込みがなされる（図４ｂ）。
【００３９】
記録磁極が次のビットに進むと、反転したビットにはマイクロ波磁場のエネルギーが供給されなくなり、熱伝導および輻射により温度が低下し、書き込みが完了する（図４ｃ）。
【００４０】
上述した第１および第２の原理は典型的な例を示したものであり、多くの現実の系では第１および第２の原理が共存した状態で磁化反転が生じる。以上の説明から明らかなように、実施形態に係る磁気記録ヘッドでは、マイクロ波磁場によるアシスト作用がない場合に比較して、数分の１の記録磁場により磁気記録が可能になる。現実の磁気記録媒体の共鳴スペクトルは種々の原因で幅を持っているので、アシスト用マイクロ波磁場のスペクトルも同程度の幅を持っていることが好ましい。
【００４１】
図１および図２の磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置では、マイクロ波磁場発生源としてマイクロ波電流配線５１を用いているが、これに限定されない。
【００４２】
図５の磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置では、マイクロ波電流配線５１の代わりに、マイクロ波磁場発生源として微小な磁性発振素子５５を設けている。磁性発振素子５５は、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層を有する。磁性発振素子５５には直流電源５６が接続されている。磁性発振素子５５は、膜面垂直方向に電流を通電することにより、たとえば磁化フリー層の磁化が歳差運動を起こしてマイクロ波磁場が発生する。この場合、磁性発振素子５５から磁気記録媒体１０に印加されるマイクロ波磁場の周波数を、記録磁場が印加されたことによって低下する磁気記録層１２の磁化の共鳴周波数と一致させるかその近傍の値に設定する。
【００４３】
以上で説明したマイクロ波磁場によるアシスト作用は、磁気記録に限らず、固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の書き換えにも適用することができる。
【００４４】
図６に、本発明の一実施形態に係る固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の断面図を示す。図６において、下部電極１０１と上部電極１０２との間に、メモリセルを構成する磁性トンネル接合素子１１０が形成されている。磁性トンネル接合素子１１０は、磁化固定層１１１、トンネル絶縁膜１１２、および磁化フリー層１１３が積層された構造を有する。磁性トンネル接合素子１１０の上部には、マイクロ波電流配線１２０が形成されている。また、磁性トンネル接合素子１１０の近傍に、書き込みのためにパルス磁場を発生する電流ライン１５０が設けられている。磁性トンネル接合素子１１０の選択は、図示しないＭＯＳトランジスタによりなされる。マイクロ波電流配線１２０からのマイクロ波磁場の周波数は、電流ライン１５０から印加されたパルス磁場により変化する磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の共鳴周波数またはその近傍の値に設定される。
【００４５】
図６のＭＲＡＭでは、マイクロ波電流配線１２０とパルス磁場発生用の電流ライン１５０とを組み合わせることにより、電流ライン１５０に流す電流を従来の数分の１に設定しても、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化を反転させることができる。
【００４６】
ＭＲＡＭと磁気記録とで最も異なる点は、磁気記録媒体と比較して、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の異方性エネルギーが２桁程度小さく、減衰定数αも０．０１〜０．０２程度と小さいことである。したがって、（１）式で与えられる磁化フリー層の共鳴周波数ｆ0を数ＧＨｚ程度に低下させることができ、（２）式の反転条件を満たすマイクロ波磁場ｈを僅か数Ｏｅにすることができる。数値シミュレーションによれば、数十Ｏｅのマイクロ波磁場の下で数ｎｓの時間内での磁化反転が可能である。この場合、マイクロ波電流配線１２０と磁化フリー層１１３との距離が１０ｎｍであるとすると、磁化反転させるのに必要なマイクロ波電流は数百μＡとなる。すなわち、図６のマイクロ波電流配線１２０に数百μＡのマイクロ波電流を流し、パルス磁場発生用の電流ライン１５０により数百Ｏｅの磁場を印加することにより、数ｎｓの時間内で磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化を反転させることができる。マイクロ波電流配線１２０によるマイクロ波磁場は、電流ライン１５０からのパルス磁場により共鳴周波数が低下した磁化フリー層１１３に対してのみ共鳴条件を満たすように設定されており、その磁化フリー層１１３にのみ作用する。このため、通常のＭＲＡＭと異なり、パルス磁場発生用の電流ライン１５０を１セル当り１本設けるだけで十分である。
【００４７】
図７に、本発明の他の実施形態に係る固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の断面図を示す。図７では、図６のマイクロ波電流配線１２０の代わりに、磁性発振素子１３０が設けられている。この磁性発振素子１３０は、磁性トンネル接合素子１１０の上部電極１０２上に積層された、磁化フリー層１３１、非磁性中間層１３２、磁化固定層１３３を含む。このＭＲＡＭでは、磁性発振素子１３０に膜面垂直方向に電流を通電することにより、たとえば磁化フリー層１３１の磁化が歳差運動を起こしてマイクロ波磁場が発生する。磁性発振素子１３０からのマイクロ波磁場の周波数は、電流ライン１５０から印加されるパルス磁場により変化する磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の共鳴周波数またはその近傍の値に設定される。
【００４８】
図７のＭＲＡＭでも、磁性発振素子１３０とパルス磁場発生用の電流ライン１５０とを組み合わせることにより、電流ライン１５０に流す電流を従来の数分の１に設定しても、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化を反転させることができる。
【実施例】
【００４９】
実施例１
磁気記録層（ＦｅＰｔ薄膜）に記録磁極から記録磁場を印加したときに磁化の共鳴周波数がどのように変化するかを調べるために、以下のようなモデル実験を行った。
【００５０】
図８に本実施例において作製した導波路（コプレナーガイド）２００の断面図を示す。サファイア基板２０１上に、厚さ１００ｎｍのＦｅＰｔ膜２０２、厚さ５００ｎｍのＣｕ膜２０３をスパッタリングにより成膜した。光リソグラフィーにより、中央に位置するラインの幅が１０μｍとなり、その両側にグランドプレーン２０４が配置されるように加工した。
【００５１】
ＦｅＰｔ膜２０２は、容易軸が膜面垂直方向に向いた垂直磁気異方性を示し、飽和磁化Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3、異方性磁場Ｈkが１８ｋＯｅであった。この導波路２００の一端にマイクロ波発振器を接続し、他端にプリアンプを介してスペクトラムアナライザーを接続した。そして、ＦｅＰｔ膜２０２に記録磁極からの記録磁場に相当する外部磁場を印加し、磁気共鳴吸収を測定した。
【００５２】
図９に、外部磁場Ｈ＝０およびＨ＝１０ｋＯｅの下での吸収スペクトルを示す。このとき外部磁場はＦｅＰｔ膜２０２の磁化と逆向きに印加した。図９から、Ｈ＝０での共鳴周波数は約５０ＧＨｚであり、Ｈ＝１０ｋＯｅでの共鳴周波数は約２２ＧＨｚであることがわかる。共鳴線幅から求めた減衰定数αは０．０１である。
【００５３】
実施例２
磁気記録層（ＦｅＰｔ薄膜）にアシスト用のマイクロ波磁場を印加しながら記録磁極から記録磁場を印加したときの磁化反転を調べるために、以下のようなモデル実験を行った。
【００５４】
図１０（ａ）に本実施例において作製した導波路（コプレナーガイド）３００の平面図、図１０（ｂ）に断面図を示す。
【００５５】
光リソグラフィーおよび電子線リソグラフィーを用いて図１０（ａ）および（ｂ）に示す導波路（コプレナーガイド）３００を作製した。この導波路３００は、その一部が長さＬ（約１μｍ）にわたって幅Ｗ（２００ｎｍ）の細線となっている。図１０（ｂ）に示すように、細線部分は厚さｔ１（１００ｎｍ）のＣｕ膜３０１と厚さｔ２（１０ｎｍ）のＦｅＰｔ膜３０２との積層膜である。細線部分以外の他の部分は厚さｔ１（１００ｎｍ）のＣｕ膜３０１からなる単層膜である。
【００５６】
作製した試料を市販の磁気ヘッドを搭載したスピンスタンドに設置した。導波路３００の一端にマイクロ波発振器に接続し、他端に５０Ωの無反射終端を接続した。記録磁極はサイズが１００×６０ｎｍ2である。記録磁極からの記録磁場を１０ｋＯｅに設定した。読出しヘッドはサイズが８０×６０ｎｍ2のＧＭＲヘッドである。
【００５７】
導波路３００に接続したマイクロ波発振器の出力（マイクロ波電流値）を所定値に設定してアシスト用のマイクロ波磁場を印加し、記録磁極から（１０１０１０１０１０）という書込み信号に対応する記録磁場を印加して、ＦｅＰｔ膜３０２に信号を書き込んだ。次に、電流値ＦｅＰｔ膜３０２に書き込まれた信号を、ＧＭＲヘッドにより読み出した。このような実験を、マイクロ波電流値を逐次変化させて行った。
【００５８】
表１に、マイクロ波電流値、書込み信号、および読出し信号を示す。表１に示されるように、マイクロ波電流が０．６ｍＡを超えると、書込み信号と読出し信号とが一致していることから、記録磁極からの信号が正しく書き込まれたことがわかる。
【表１】
【００５９】
実施例３
図７に示すＭＲＡＭを作製し、磁性発振素子により磁性トンネル接合素子のフリー層の磁化を反転させる実験を行った。
【００６０】
光リソグラフィーおよび電子線リソグラフィーを用いて図７に示すＭＲＡＭを作製した。
【００６１】
メモリセルを構成する磁性トンネル接合素子１１０は、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの積層膜からなる磁化固定層１１１、厚さ１ｎｍのＭｇＯからなるトンネル絶縁膜１１２、厚さ１ｎｍのＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層１１３を含む。
【００６２】
磁性発振素子１３０については、磁化フリー層１３１および磁化固定層１３３に磁性トンネル接合素子１１０に用いたのと同じ材料を用い、非磁性中間層１３２に厚さ５ｎｍのＣｕを用いた。
【００６３】
磁性トンネル接合素子１１０および磁性発振素子１３０のサイズは、いずれも５０×１００ｎｍ2である。５０Ｏｅのパルス磁場の下で、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化の共鳴周波数は３．５ＧＨｚであり、磁性発振素子１３０に通電したときの磁化フリー層１３１の磁化の歳差運動による発振周波数も３．５ＧＨｚに対応するように設定される。
【００６４】
図１１に、磁性発振素子１３０に流す電流を変化させて、磁性トンネル接合素子１１０の抵抗値の変化を測定した結果を示す。図１１に示されるように、電流が６ｍＡを超えると磁性トンネル接合素子１１０の抵抗が増大している。これは、磁性発振素子１３０の磁化フリー層１３１の磁化の歳差運動に伴うマイクロ波磁場が電流とともに増大し、６ｍＡで磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化が反転したことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図。
【図３】マイクロ波磁場のアシスト作用の第１の原理を説明する図。
【図４】マイクロ波磁場のアシスト作用の第２の原理を説明する図。
【図５】本発明の他の実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係るＭＲＡＭの断面図。
【図７】本発明の他の実施形態に係るＭＲＡＭの断面図。
【図８】実施例１で作製した導波路の断面図。
【図９】実施例１の導波路の吸収スペクトルを示す図。
【図１０】実施例２で作製した導波路の平面図および断面図。
【図１１】実施例３のＭＲＡＭの抵抗値の変化を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
【００６６】
１０…磁気記録媒体、１１…基板、１２…磁気記録層、１５…ビット、２０…磁気ヘッド、３０…再生ヘッド、３１…ＧＭＲ素子、３２、３３…磁気シールド、４０…記録ヘッド、４１…記録磁極、４２…コイル、５１…マイクロ波電流配線、５２…マイクロ波発振器、５５…磁性発振素子、５６…直流電源、１０１…下部電極、１０２…上部電極、１１０…磁性トンネル接合素子、１１１…磁化固定層、１１２…トンネル絶縁膜、１１３…磁化フリー層、１２０…マイクロ波電流配線、１３０…磁性発振素子、１３１…磁化フリー層、１３２…非磁性中間層、１３３…磁化固定層、１５０…電流ライン、２００…導波路（コプレナーガイド）、２０１…サファイア基板、２０２…ＦｅＰｔ膜、２０３…Ｃｕ膜、２０４…グランドプレーン、３００…導波路（コプレナーガイド）、３０１…Ｃｕ膜、３０２…ＦｅＰｔ膜。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気ヘッド、磁気記録方法、磁気記録装置、および磁気メモリ（ＭＲＡＭ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
読み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を含み、約１０％の磁気抵抗効果を示し、２００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2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／強磁性層の積層膜を含み、最大で５０％程度のＭＲ比が得られており、３００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2の記録密度に対応できると考えられている。
【０００４】
さらに、５００Ｇｂｐｓｉ以上の高密度記録に対応可能な読み出し用磁気ヘッドとして、垂直通電型のＧＭＲ素子（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）、スピンバルブトランジスタ、共鳴磁気抵抗効果素子などの新しい素子の開発が進められている。
【０００５】
一方、５００Ｇｂｐｓｉ以上の磁気記録ではビットサイズが５０ｎｍ以下になるので、微小磁化の熱ゆらぎを低減するため媒体の保磁力が極めて大きくなる。そのため、書き込み時には磁場と熱を同時に供給する熱アシストなどの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ＧＨｚの高速性と数十ｎｍの局所性を併せ持つ大きなパワー密度の熱照射が必要になるため、レーザー熱アシストなどの方法が提案されている。
【０００６】
記録書き込みの問題は固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）においても存在する。従来のＭＲＡＭにおける２本の電流線による書き込み法では、高集積化に伴い書き込み磁場（電流）の増大が指摘されており、新規な書き込み法の開発が必要になっている。
【０００７】
本発明者らはすでに、アシスト用のマイクロ波磁場を印加するスピン波発振器を備えた磁気記録ヘッドおよび磁気メモリを提案している（特許文献１）。
【０００８】
しかし、従来はアシスト用のマイクロ波磁場の適切な条件を考慮しておらず、磁気記録ヘッドの記録磁場や磁気メモリの書き込み電流を低減できる余地があることがわかってきた。
【特許文献１】特開２００５−２８５２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、アシスト用のマイクロ波磁場を適切な条件で印加することにより、磁気記録ヘッドの記録磁場や磁気メモリの書き込み電流を低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、磁気記録媒体に記録磁場を印加する記録磁極と、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録ヘッドが提供される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、磁気記録媒体に記録磁極から記録磁場を印加して磁気記録を行う方法において、前記記録磁極の近傍に、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源を設け、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応する周波数のマイクロ波磁場を印加することを特徴とする磁気記録方法が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の１ビットの領域に記録磁場を印加する記録磁極と、前記磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加するマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の１ビットの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録装置が提供される。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、磁化フリー層、トンネル絶縁層および磁化固定層を有する磁性トンネル接合素子を含むメモリセルと、前記磁性トンネル接合素子に対してパルス磁場を印加する電流ラインと、前記磁性トンネル接合素子にマイクロ波磁場を印加して前記磁化フリー層の磁化反転をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から前記磁化フリー層に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記パルス磁場が印加された前記磁化フリー層の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気メモリが提供される。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、アシスト用のマイクロ波磁場を適切な条件で印加することにより、磁気記録ヘッドの記録磁場や磁気メモリの書き込み電流を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
図１に、本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図を示す。
【００１７】
磁気記録媒体１０は基板１１上に磁気記録層１２を成膜した構造を有する。なお、下地層や保護層は省略している。磁気記録層１２はたとえば垂直磁気異方性を有する材料からなり、磁気記録層１２の各ビット１５に相当する領域は上向きまたは下向きに磁化されている。
【００１８】
磁気記録媒体１０上には磁気ヘッド２０が配置される。この磁気ヘッド２０は再生ヘッド３０と記録ヘッド４０とを含む。
【００１９】
再生ヘッド３０は、ＧＭＲ素子３１とその前後に設けられた磁気シールド３２、３３を含む。ＧＭＲ素子３１は、磁化フリー層、スペーサ層および磁化固定層を含む。
【００２０】
記録ヘッド４０は、記録磁極４１と、記録磁極４１を励磁するコイル４２を含む。図１では、再生ヘッド３０の磁気シールド３３がリターン磁極を兼ねているが、磁気シールド３３とは独立してリターン磁極を形成してもよい。さらに、図１の記録ヘッド４０は、磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源として、マイクロ波電流配線５１を含む。マイクロ波電流配線５１はマイクロ波発振器５２に接続されている。
【００２１】
本発明者らは、記録磁極４１から磁気記録層１２の１つのビット１５に記録磁場が印加されたとき、そのビット１５の磁化の共鳴周波数が変わることを見出した。すなわち、磁気記録層１２の１つのビット１５の磁化を反転させるために、そのビット１５の磁化に対して反平行に記録磁場が印加されたとき、記録磁場ゼロの場合と比較して、磁化の共鳴周波数が低下することを見出した。
【００２２】
一方、マイクロ波発振器５２からマイクロ波電流配線５１にマイクロ波電流を流すと、図１に破線で示すように、磁気記録媒体１０に対して垂直方向成分をもつマイクロ波磁場を発生させることができる。電流磁場の空間分布は、電流の周りの透磁率の分布に依存し、透磁率の大きい部分に磁束が集中することが知られている。
【００２３】
本発明においては、マイクロ波電流配線５１から磁気記録媒体１０に印加されるマイクロ波磁場の周波数を、記録磁場が印加されたことによって低下する磁気記録層１２の磁化の共鳴周波数と一致させるかその近傍の値に設定する。この結果、記録磁場が印加された記録磁極４１直下のビット１５の磁化はマイクロ波磁場と共鳴状態にあるが、それ以外の他のビット１５の磁化はマイクロ波磁場と非共鳴状態にある。磁化が共鳴状態にあるビット１５の透磁率は、磁化が非共鳴状態のビットの透磁率に比較して大きいので、図１に示したように記録磁極４１直下のビット１５に磁束が集中する。一方、磁化が非共鳴状態にあるビット１５に磁束が集中することはない。この結果、記録磁極４１直下のビット１５のみを選択的かつ容易に反転させることができる。
【００２４】
上述したように、マイクロ波電流配線５１から磁気記録媒体１０に印加されるマイクロ波磁場の周波数を適切に設定することによって、記録磁極４１直下のビット１５のみを選択的に反転させることができ、それ以外の他のビット１５を反転させることがないので、マイクロ波磁場発生源（図１ではマイクロ波電流配線５１）の大きさ（面積）が、磁気記録層１２の１つのビット１５の大きさ（面積）より大きくてもよいし、マイクロ波磁場発生源（図１ではマイクロ波電流配線５１）の位置が記録磁極４１の位置と一致していなくてもよい。
【００２５】
図２に示すように、記録磁極４１に対して複数（この場合２つ）のマイクロ波磁場発生源（マイクロ波電流配線５１）を設けてもよい。
【００２６】
したがって、マイクロ波磁場発生源の大きさ、位置、数に対する制限が少ないため、実施形態に係る磁気記録ヘッドは設計および製造の自由度（マージン）が大きく、実用上有利である。たとえば、マイクロ波電流配線５１の面積が大きくてもよいということは、通電する電流値を小さくしてもよいことを意味し、マイクロ波発振器５２の性能に対する要求を低減できる。
【００２７】
マイクロ波磁場の印加による磁気記録へのアシスト作用は、次の２つの原理に基づいて発生すると考えられる。
【００２８】
第１の原理は、マイクロ波磁場の印加により、磁化の磁気共鳴を起こして反転することによるものである。第２の原理は、マイクロ波磁場の印加により、磁化が磁気共鳴吸収を起こし、磁気記録層が加熱されて磁化が反転することによるものである。
【００２９】
前者は減衰定数αの小さな磁性材料で形成された磁気記録層において主要な原理となる。後者は減衰定数αの大きな磁性材料で形成された磁気記録層において主要な原理となる。
【００３０】
図３を参照して、第１の原理によるマイクロ波磁場のアシスト作用を説明する。磁気記録層が大きな異方性磁場Ｈkを有することを想定し、磁化Ｍと逆向きに記録磁場Ｈextを印加した場合を考える。ＨextはＨkより小さいのでこの状態では磁化反転は生じない。しかし、記録磁場を印加すると同時に、（１）式で表される共鳴周波数ｆ0に対応する周波数のマイクロ波磁場ｈを印加すると、磁化Ｍは矢印で示すように歳差運動を始める。（１）式のγは磁気回転比である。
【００３１】
ｆ0＝（γ／２π）（Ｈk−Ｈext） （１）
マイクロ波磁場ｈが十分大きく、
（γ／２π）ｈ＞αｆ0 （２）
で表される（２）式の関係が満たされれば、図３に示すように歳差運動の振幅は時間とともに増大し、磁化Ｍは反転する。
【００３２】
たとえば、ＦｅＰｔからなる磁気記録層ではＨk〜２×１０4Ｏｅであり、記録磁場ゼロのときの共鳴周波数は約５０ＧＨｚである。記録磁極からＨext＝１×１０4Ｏｅの記録磁場を印加したとき、記録磁極直下のビットの共鳴周波数は約２５ＧＨｚに低下する。ｆ0＝２５ＧＨｚ，α＝０．０５の場合、（２）式から反転に必要なマイクロ波磁場はｈ＞４５０Ｏｅとなる。数値シミュレーションによれば、１ｎｓ以下の時間で磁化を反転させるには、１０００Ｏｅ程度の磁場が必要なことが予測されている。図１のマイクロ波電流配線５１と記録すべきビットとの距離を１０ｎｍとすると、そのビットに１０００Ｏｅのマイクロ波磁場を発生させるために必要なマイクロ波電流は１ｍＡ程度となる。第１の原理に基づいた磁化反転は、磁化の歳差運動に伴うスピン系のエネルギーが格子系に緩和する程度の時間内で生じるため、格子系の温度（媒体ビットの温度）はほとんど上昇しない。
【００３３】
磁気記録媒体の減衰定数αが大きい場合には（２）式から明らかなように共鳴反転に必要なマイクロ波磁場ｈが増大し、たとえばα＝０．２では５０００Ｏｅを大きく超えるマイクロ波磁場が必要になることが予測される。
【００３４】
しかし、減衰定数αが大きい磁気記録媒体に関しても上述した第２の原理、すなわちマイクロ波磁場の印加による共鳴吸収加熱を利用した磁化反転が可能である。磁気記録媒体に吸収されるマイクロ波パワーは媒体の帯磁率の虚数部χ”に依存し、マイクロ波磁場をｈとすると、
Ｐ＝（１／２）χ”ｈ2ω （３）
と表される。χ”（ω）は周波数に強く依存し、磁気記録媒体の共鳴周波数から離れた周波数では１以下と小さいが、共鳴周波数またはその近傍では１０〜１００程度に増大する。磁気記録媒体の加熱効率は吸収パワーに依存するので、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。
【００３５】
垂直磁化媒体では、共鳴周波数ｆ0は（１）式で表される。上述したように、書き換えを行う場合、磁気記録層の磁化と逆向きに記録磁場が印加されるので、共鳴周波数はＨkとＨextの差に比例して低下する。
【００３６】
上記の例では図１の記録磁極直下のビットの共鳴周波数は、記録磁場がゼロである他のビットの共鳴周波数（５０ＧＨｚ）に比較して、大幅に低下し２５ＧＨｚとなっている。すなわち、３０ＧＨｚ以下のマイクロ波磁場により記録磁極直下のビットのみが選択的に加熱されるが、他のビットでは共鳴吸収が起こらずほとんど加熱されない。
【００３７】
図４に、第２の原理による書き込みのプロセスを示す。
マイクロ波磁場発生源（マイクロ波電流配線５１）が発生するマイクロ波磁場のエネルギーを吸収することにより、磁化は歳差運動を開始する。しかし、減衰定数αが大きいと、磁化反転は生じない（図４ａ）。
【００３８】
歳差運動に伴う磁気的エネルギーは速やかに格子系に流れ込み磁性材料の温度を上昇させる。たとえば、α＝０．２、ｆ0＝２５ＧＨｚの場合の格子系への緩和時間は僅かに０．２ｎｓである。マイクロ波磁場を４０００〜５０００Ｏｅとすると、毎秒１０18ｅｒｇ／ｓ程度のエネルギーが格子系へ供給される。ＦｅＰｔ層の熱容量は約３×１０7ｅｒｇ／Ｋｃｍ3なので、マイクロ波磁気エネルギーの吸収により１ｎｓの間に、媒体温度を数十Ｋ〜１００Ｋ程度上昇させることができる。媒体温度が上昇すると通常のレーザーアシストと同様にＫu1が減少し、記録ヘッドの磁場により磁化反転すなわち書き込みがなされる（図４ｂ）。
【００３９】
記録磁極が次のビットに進むと、反転したビットにはマイクロ波磁場のエネルギーが供給されなくなり、熱伝導および輻射により温度が低下し、書き込みが完了する（図４ｃ）。
【００４０】
上述した第１および第２の原理は典型的な例を示したものであり、多くの現実の系では第１および第２の原理が共存した状態で磁化反転が生じる。以上の説明から明らかなように、実施形態に係る磁気記録ヘッドでは、マイクロ波磁場によるアシスト作用がない場合に比較して、数分の１の記録磁場により磁気記録が可能になる。現実の磁気記録媒体の共鳴スペクトルは種々の原因で幅を持っているので、アシスト用マイクロ波磁場のスペクトルも同程度の幅を持っていることが好ましい。
【００４１】
図１および図２の磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置では、マイクロ波磁場発生源としてマイクロ波電流配線５１を用いているが、これに限定されない。
【００４２】
図５の磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置では、マイクロ波電流配線５１の代わりに、マイクロ波磁場発生源として微小な磁性発振素子５５を設けている。磁性発振素子５５は、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層を有する。磁性発振素子５５には直流電源５６が接続されている。磁性発振素子５５は、膜面垂直方向に電流を通電することにより、たとえば磁化フリー層の磁化が歳差運動を起こしてマイクロ波磁場が発生する。この場合、磁性発振素子５５から磁気記録媒体１０に印加されるマイクロ波磁場の周波数を、記録磁場が印加されたことによって低下する磁気記録層１２の磁化の共鳴周波数と一致させるかその近傍の値に設定する。
【００４３】
以上で説明したマイクロ波磁場によるアシスト作用は、磁気記録に限らず、固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の書き換えにも適用することができる。
【００４４】
図６に、本発明の一実施形態に係る固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の断面図を示す。図６において、下部電極１０１と上部電極１０２との間に、メモリセルを構成する磁性トンネル接合素子１１０が形成されている。磁性トンネル接合素子１１０は、磁化固定層１１１、トンネル絶縁膜１１２、および磁化フリー層１１３が積層された構造を有する。磁性トンネル接合素子１１０の上部には、マイクロ波電流配線１２０が形成されている。また、磁性トンネル接合素子１１０の近傍に、書き込みのためにパルス磁場を発生する電流ライン１５０が設けられている。磁性トンネル接合素子１１０の選択は、図示しないＭＯＳトランジスタによりなされる。マイクロ波電流配線１２０からのマイクロ波磁場の周波数は、電流ライン１５０から印加されたパルス磁場により変化する磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の共鳴周波数またはその近傍の値に設定される。
【００４５】
図６のＭＲＡＭでは、マイクロ波電流配線１２０とパルス磁場発生用の電流ライン１５０とを組み合わせることにより、電流ライン１５０に流す電流を従来の数分の１に設定しても、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化を反転させることができる。
【００４６】
ＭＲＡＭと磁気記録とで最も異なる点は、磁気記録媒体と比較して、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の異方性エネルギーが２桁程度小さく、減衰定数αも０．０１〜０．０２程度と小さいことである。したがって、（１）式で与えられる磁化フリー層の共鳴周波数ｆ0を数ＧＨｚ程度に低下させることができ、（２）式の反転条件を満たすマイクロ波磁場ｈを僅か数Ｏｅにすることができる。数値シミュレーションによれば、数十Ｏｅのマイクロ波磁場の下で数ｎｓの時間内での磁化反転が可能である。この場合、マイクロ波電流配線１２０と磁化フリー層１１３との距離が１０ｎｍであるとすると、磁化反転させるのに必要なマイクロ波電流は数百μＡとなる。すなわち、図６のマイクロ波電流配線１２０に数百μＡのマイクロ波電流を流し、パルス磁場発生用の電流ライン１５０により数百Ｏｅの磁場を印加することにより、数ｎｓの時間内で磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化を反転させることができる。マイクロ波電流配線１２０によるマイクロ波磁場は、電流ライン１５０からのパルス磁場により共鳴周波数が低下した磁化フリー層１１３に対してのみ共鳴条件を満たすように設定されており、その磁化フリー層１１３にのみ作用する。このため、通常のＭＲＡＭと異なり、パルス磁場発生用の電流ライン１５０を１セル当り１本設けるだけで十分である。
【００４７】
図７に、本発明の他の実施形態に係る固体磁気メモリ（ＭＲＡＭ）の断面図を示す。図７では、図６のマイクロ波電流配線１２０の代わりに、磁性発振素子１３０が設けられている。この磁性発振素子１３０は、磁性トンネル接合素子１１０の上部電極１０２上に積層された、磁化フリー層１３１、非磁性中間層１３２、磁化固定層１３３を含む。このＭＲＡＭでは、磁性発振素子１３０に膜面垂直方向に電流を通電することにより、たとえば磁化フリー層１３１の磁化が歳差運動を起こしてマイクロ波磁場が発生する。磁性発振素子１３０からのマイクロ波磁場の周波数は、電流ライン１５０から印加されるパルス磁場により変化する磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の共鳴周波数またはその近傍の値に設定される。
【００４８】
図７のＭＲＡＭでも、磁性発振素子１３０とパルス磁場発生用の電流ライン１５０とを組み合わせることにより、電流ライン１５０に流す電流を従来の数分の１に設定しても、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化を反転させることができる。
【実施例】
【００４９】
実施例１
磁気記録層（ＦｅＰｔ薄膜）に記録磁極から記録磁場を印加したときに磁化の共鳴周波数がどのように変化するかを調べるために、以下のようなモデル実験を行った。
【００５０】
図８に本実施例において作製した導波路（コプレナーガイド）２００の断面図を示す。サファイア基板２０１上に、厚さ１００ｎｍのＦｅＰｔ膜２０２、厚さ５００ｎｍのＣｕ膜２０３をスパッタリングにより成膜した。光リソグラフィーにより、中央に位置するラインの幅が１０μｍとなり、その両側にグランドプレーン２０４が配置されるように加工した。
【００５１】
ＦｅＰｔ膜２０２は、容易軸が膜面垂直方向に向いた垂直磁気異方性を示し、飽和磁化Ｍｓが８００ｅｍｕ／ｃｍ3、異方性磁場Ｈkが１８ｋＯｅであった。この導波路２００の一端にマイクロ波発振器を接続し、他端にプリアンプを介してスペクトラムアナライザーを接続した。そして、ＦｅＰｔ膜２０２に記録磁極からの記録磁場に相当する外部磁場を印加し、磁気共鳴吸収を測定した。
【００５２】
図９に、外部磁場Ｈ＝０およびＨ＝１０ｋＯｅの下での吸収スペクトルを示す。このとき外部磁場はＦｅＰｔ膜２０２の磁化と逆向きに印加した。図９から、Ｈ＝０での共鳴周波数は約５０ＧＨｚであり、Ｈ＝１０ｋＯｅでの共鳴周波数は約２２ＧＨｚであることがわかる。共鳴線幅から求めた減衰定数αは０．０１である。
【００５３】
実施例２
磁気記録層（ＦｅＰｔ薄膜）にアシスト用のマイクロ波磁場を印加しながら記録磁極から記録磁場を印加したときの磁化反転を調べるために、以下のようなモデル実験を行った。
【００５４】
図１０（ａ）に本実施例において作製した導波路（コプレナーガイド）３００の平面図、図１０（ｂ）に断面図を示す。
【００５５】
光リソグラフィーおよび電子線リソグラフィーを用いて図１０（ａ）および（ｂ）に示す導波路（コプレナーガイド）３００を作製した。この導波路３００は、その一部が長さＬ（約１μｍ）にわたって幅Ｗ（２００ｎｍ）の細線となっている。図１０（ｂ）に示すように、細線部分は厚さｔ１（１００ｎｍ）のＣｕ膜３０１と厚さｔ２（１０ｎｍ）のＦｅＰｔ膜３０２との積層膜である。細線部分以外の他の部分は厚さｔ１（１００ｎｍ）のＣｕ膜３０１からなる単層膜である。
【００５６】
作製した試料を市販の磁気ヘッドを搭載したスピンスタンドに設置した。導波路３００の一端にマイクロ波発振器に接続し、他端に５０Ωの無反射終端を接続した。記録磁極はサイズが１００×６０ｎｍ2である。記録磁極からの記録磁場を１０ｋＯｅに設定した。読出しヘッドはサイズが８０×６０ｎｍ2のＧＭＲヘッドである。
【００５７】
導波路３００に接続したマイクロ波発振器の出力（マイクロ波電流値）を所定値に設定してアシスト用のマイクロ波磁場を印加し、記録磁極から（１０１０１０１０１０）という書込み信号に対応する記録磁場を印加して、ＦｅＰｔ膜３０２に信号を書き込んだ。次に、電流値ＦｅＰｔ膜３０２に書き込まれた信号を、ＧＭＲヘッドにより読み出した。このような実験を、マイクロ波電流値を逐次変化させて行った。
【００５８】
表１に、マイクロ波電流値、書込み信号、および読出し信号を示す。表１に示されるように、マイクロ波電流が０．６ｍＡを超えると、書込み信号と読出し信号とが一致していることから、記録磁極からの信号が正しく書き込まれたことがわかる。
【表１】
【００５９】
実施例３
図７に示すＭＲＡＭを作製し、磁性発振素子により磁性トンネル接合素子のフリー層の磁化を反転させる実験を行った。
【００６０】
光リソグラフィーおよび電子線リソグラフィーを用いて図７に示すＭＲＡＭを作製した。
【００６１】
メモリセルを構成する磁性トンネル接合素子１１０は、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅの積層膜からなる磁化固定層１１１、厚さ１ｎｍのＭｇＯからなるトンネル絶縁膜１１２、厚さ１ｎｍのＣｏＦｅＢからなる磁化フリー層１１３を含む。
【００６２】
磁性発振素子１３０については、磁化フリー層１３１および磁化固定層１３３に磁性トンネル接合素子１１０に用いたのと同じ材料を用い、非磁性中間層１３２に厚さ５ｎｍのＣｕを用いた。
【００６３】
磁性トンネル接合素子１１０および磁性発振素子１３０のサイズは、いずれも５０×１００ｎｍ2である。５０Ｏｅのパルス磁場の下で、磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化の共鳴周波数は３．５ＧＨｚであり、磁性発振素子１３０に通電したときの磁化フリー層１３１の磁化の歳差運動による発振周波数も３．５ＧＨｚに対応するように設定される。
【００６４】
図１１に、磁性発振素子１３０に流す電流を変化させて、磁性トンネル接合素子１１０の抵抗値の変化を測定した結果を示す。図１１に示されるように、電流が６ｍＡを超えると磁性トンネル接合素子１１０の抵抗が増大している。これは、磁性発振素子１３０の磁化フリー層１３１の磁化の歳差運動に伴うマイクロ波磁場が電流とともに増大し、６ｍＡで磁性トンネル接合素子１１０の磁化フリー層１１３の磁化が反転したことを示している。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の一実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図。
【図２】本発明の他の実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図。
【図３】マイクロ波磁場のアシスト作用の第１の原理を説明する図。
【図４】マイクロ波磁場のアシスト作用の第２の原理を説明する図。
【図５】本発明の他の実施形態に係る磁気記録ヘッドおよびこれを用いた磁気記録装置の断面図。
【図６】本発明の一実施形態に係るＭＲＡＭの断面図。
【図７】本発明の他の実施形態に係るＭＲＡＭの断面図。
【図８】実施例１で作製した導波路の断面図。
【図９】実施例１の導波路の吸収スペクトルを示す図。
【図１０】実施例２で作製した導波路の平面図および断面図。
【図１１】実施例３のＭＲＡＭの抵抗値の変化を測定した結果を示す図。
【符号の説明】
【００６６】
１０…磁気記録媒体、１１…基板、１２…磁気記録層、１５…ビット、２０…磁気ヘッド、３０…再生ヘッド、３１…ＧＭＲ素子、３２、３３…磁気シールド、４０…記録ヘッド、４１…記録磁極、４２…コイル、５１…マイクロ波電流配線、５２…マイクロ波発振器、５５…磁性発振素子、５６…直流電源、１０１…下部電極、１０２…上部電極、１１０…磁性トンネル接合素子、１１１…磁化固定層、１１２…トンネル絶縁膜、１１３…磁化フリー層、１２０…マイクロ波電流配線、１３０…磁性発振素子、１３１…磁化フリー層、１３２…非磁性中間層、１３３…磁化固定層、１５０…電流ライン、２００…導波路（コプレナーガイド）、２０１…サファイア基板、２０２…ＦｅＰｔ膜、２０３…Ｃｕ膜、２０４…グランドプレーン、３００…導波路（コプレナーガイド）、３０１…Ｃｕ膜、３０２…ＦｅＰｔ膜。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気記録媒体に記録磁場を印加する記録磁極と、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項２】
磁気記録媒体に記録磁極から記録磁場を印加して磁気記録を行う方法において、前記記録磁極の近傍に、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源を設け、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応する周波数のマイクロ波磁場を印加することを特徴とする磁気記録方法。
【請求項３】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の１ビットの領域に記録磁場を印加する記録磁極と、前記磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加するマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の１ビットの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録装置。
【請求項４】
前記マイクロ波磁場発生源の大きさが、前記磁気記録媒体の１ビットの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項５】
前記記録磁極に対して前記マイクロ波磁場発生源が複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項６】
前記マイクロ波磁場発生源から前記磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数は、前記磁気記録媒体の１ビットの磁化に対して前記記録磁場が反平行に印加されるときの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項７】
前記マイクロ波磁場の印加により、前記磁気記録媒体の１ビットの磁化が磁気共鳴を起こして反転することを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項８】
前記マイクロ波磁場の印加により、前記磁気記録媒体の１ビットの磁化が磁気共鳴吸収を起こし、前記磁気記録媒体が加熱されて磁化が反転することを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項９】
前記マイクロ波磁場発生源は、マイクロ波電流配線を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項１０】
前記マイクロ波磁場発生源は、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層を有する磁性発振素子を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項１１】
磁化フリー層、トンネル絶縁層および磁化固定層を有する磁性トンネル接合素子を含むメモリセルと、
前記磁性トンネル接合素子に対してパルス磁場を印加する電流ラインと、
前記磁性トンネル接合素子にマイクロ波磁場を印加して前記磁化フリー層の磁化反転をアシストするマイクロ波磁場発生源と
を有し、前記マイクロ波磁場発生源から前記磁化フリー層に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記パルス磁場が印加された前記磁化フリー層の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
前記マイクロ波磁場発生源から前記磁化フリー層に印加されるマイクロ波磁場の周波数は、前記磁化フリー層の磁化に対して前記パルス磁場が反平行に印加されるときの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
前記マイクロ波磁場発生源は、マイクロ波電流配線を含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
前記マイクロ波磁場発生源は、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層を有する磁性発振素子を含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１５】
１つのメモリセルの磁性トンネル接合素子に対して１本の電流ラインからパルス磁場が印加されることを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１】
磁気記録媒体に記録磁場を印加する記録磁極と、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録ヘッド。
【請求項２】
磁気記録媒体に記録磁極から記録磁場を印加して磁気記録を行う方法において、前記記録磁極の近傍に、磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加して磁気記録をアシストするマイクロ波磁場発生源を設け、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の磁化の共鳴周波数に対応する周波数のマイクロ波磁場を印加することを特徴とする磁気記録方法。
【請求項３】
磁気記録媒体と、前記磁気記録媒体の１ビットの領域に記録磁場を印加する記録磁極と、前記磁気記録媒体にマイクロ波磁場を印加するマイクロ波磁場発生源とを有し、前記マイクロ波磁場発生源から磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記記録磁場が印加された磁気記録媒体の１ビットの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気記録装置。
【請求項４】
前記マイクロ波磁場発生源の大きさが、前記磁気記録媒体の１ビットの大きさよりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項５】
前記記録磁極に対して前記マイクロ波磁場発生源が複数設けられていることを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項６】
前記マイクロ波磁場発生源から前記磁気記録媒体に印加されるマイクロ波磁場の周波数は、前記磁気記録媒体の１ビットの磁化に対して前記記録磁場が反平行に印加されるときの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項７】
前記マイクロ波磁場の印加により、前記磁気記録媒体の１ビットの磁化が磁気共鳴を起こして反転することを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項８】
前記マイクロ波磁場の印加により、前記磁気記録媒体の１ビットの磁化が磁気共鳴吸収を起こし、前記磁気記録媒体が加熱されて磁化が反転することを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項９】
前記マイクロ波磁場発生源は、マイクロ波電流配線を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項１０】
前記マイクロ波磁場発生源は、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層を有する磁性発振素子を含むことを特徴とする請求項３に記載の磁気記録装置。
【請求項１１】
磁化フリー層、トンネル絶縁層および磁化固定層を有する磁性トンネル接合素子を含むメモリセルと、
前記磁性トンネル接合素子に対してパルス磁場を印加する電流ラインと、
前記磁性トンネル接合素子にマイクロ波磁場を印加して前記磁化フリー層の磁化反転をアシストするマイクロ波磁場発生源と
を有し、前記マイクロ波磁場発生源から前記磁化フリー層に印加されるマイクロ波磁場の周波数が、前記パルス磁場が印加された前記磁化フリー層の磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする磁気メモリ。
【請求項１２】
前記マイクロ波磁場発生源から前記磁化フリー層に印加されるマイクロ波磁場の周波数は、前記磁化フリー層の磁化に対して前記パルス磁場が反平行に印加されるときの磁化の共鳴周波数に対応することを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１３】
前記マイクロ波磁場発生源は、マイクロ波電流配線を含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１４】
前記マイクロ波磁場発生源は、磁化フリー層、非磁性層および磁化固定層を有する磁性発振素子を含むことを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【請求項１５】
１つのメモリセルの磁性トンネル接合素子に対して１本の電流ラインからパルス磁場が印加されることを特徴とする請求項１１に記載の磁気メモリ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−８００２４（Ｐ２０１０−８００２４Ａ）
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４９９５０（Ｐ２００８−２４９９５０）
【出願日】平成２０年９月２９日（２００８．９．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月８日（２０１０．４．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２９日（２００８．９．２９）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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