特許 7478623 磁性細線デバイスの制御方法、および、磁性細線デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-04-24

(45)【発行日】2024-05-07

(54)【発明の名称】磁性細線デバイスの制御方法、および、磁性細線デバイス

(51)【国際特許分類】

   G11B 5/02 20060101AFI20240425BHJP

   G11B 5/008 20060101ALI20240425BHJP

【ＦＩ】

G11B5/02 R

G11B5/008

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020140014

(22)【出願日】2020-08-21

(65)【公開番号】P2022035581

(43)【公開日】2022-03-04

【審査請求日】2023-07-10

(73)【特許権者】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】弁理士法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】堀 洋祐

(72)【発明者】

【氏名】宮本 泰敬

(72)【発明者】

【氏名】石井 紀彦

【審査官】川中 龍太

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０２７８０５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－０２７８０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ１１Ｂ ５／００ － ５／０２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

細線状の磁性体である磁性細線と、前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する導電線と、を備える磁性細線デバイスの制御方法であって、
前記導電線に電気的に接続された記録電源によって、前記磁区に対応する前記情報の記録に要する所定の記録期間に、前記導電線に記録電圧を印加する工程と、
前記磁性細線の長手方向の一端に電気的に接続された第１駆動電源によって、前記記録期間の少なくとも一部を含む第１期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第１バイアス電圧を印加する工程と、
前記磁性細線の長手方向の他端に電気的に接続された第２駆動電源によって、前記記録期間の少なくとも一部を含む第２期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第２バイアス電圧を印加する工程と、
を含むことを特徴とする磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項2】

前記第１期間および前記第２期間は、重複する期間を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項3】

前記第１期間および前記第２期間は、前記記録期間のすべてを含む期間である、
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項4】

前記第１バイアス電圧および前記第２バイアス電圧は、パルス電圧または直流電圧である、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項5】

前記導電線は、前記磁性細線とねじれの位置に、前記磁性細線を２回またぐようにパターンとして形成されている、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項6】

前記第１駆動電源または前記第２駆動電源は、前記記録期間の後に設定された駆動期間に、前記磁性細線に形成されている磁区を駆動する駆動電圧を印加する、
ことを特徴とする請求項５に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項7】

前記記録電圧が正の電圧のときに、前記第１バイアス電圧および前記第２バイアス電圧も正の電圧であり、前記記録電圧が負の電圧のときに、前記第１バイアス電圧および前記第２バイアス電圧も負の電圧である、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項8】

前記第１バイアス電圧および前記第２バイアス電圧は、同じ大きさである、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項9】

前記磁性細線デバイスは、メモリまたは空間光変調器である、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項10】

前記磁性細線デバイスの前記磁性細線、前記層間絶縁層および前記導電線の全体は、外気と隔離して、乾燥窒素雰囲気もしくは真空に保つことができる容器に封入されている、
ことを特徴とする請求項９に記載の磁性細線デバイスの制御方法。

【請求項11】

細線状の磁性体である磁性細線と、
前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する導電線と、
前記磁区に対応する前記情報の記録に要する所定の記録期間に前記導電線に記録電圧を印加する記録電源と、
前記記録期間の少なくとも一部を含む第１期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第１バイアス電圧を前記磁性細線の長手の第１方向に印加する第１駆動電源と、
前記記録期間の少なくとも一部を含む第２期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第２バイアス電圧を前記磁性細線の長手の前記第１方向とは反対向きの第２方向に印加する第２駆動電源と、
を備えることを特徴とする磁性細線デバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、磁性細線デバイスの制御方法、および、磁性細線デバイスに係り、特に、電流磁界によって情報を磁区として記録する磁性細線デバイスの制御方法、および、磁性細線デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、図１３（ａ）に示す磁性細線デバイス１０１のように、記録媒体としての磁性細線１１０と、この磁性細線１１０とは電気的に隔離された状態で磁性細線内部に磁区を形成する記録素子用導電層（導電線１２０）と、を持つデバイスが提案されている。磁性細線デバイス１０１は、導電線１２０が磁性細線１１０とねじれの位置となるように配置された構造を有する。ここでは、磁性細線デバイス１０１は１本の磁性細線１１０を備えることとした。導電線１２０と磁性細線１１０とは電気的に隔離される必要があるため、両者間に層間絶縁層１３０が挿入されている。

【0003】

図１３（ｂ）および図１３（ｃ）に示すように、導電線１２０に電流（以下、記録電流Ａという）を流すことにより、導電線１２０の周囲に電流磁界（以下、記録磁界Ｈという）が生成される。この記録磁界Ｈの強度が、垂直磁気異方性を持つ磁性細線１１０の異方性磁界の強度よりも大きくなると、磁性細線１１０上に例えば上向きの磁区Ｄを形成（磁区記録）することができる。
以下では、磁性細線デバイス１０１を多数個作ったときに、１つ１つの磁性細線デバイス１０１を単に素子と呼ぶ。多数個の中には、絶縁性等の品質の良い素子もあれば、品質の悪い素子もある。

【0004】

図１４および図１５は、磁性細線デバイス１０１を動作させるときの模式図である。磁性細線デバイス１０１は、記録電源４０と、第１駆動電源５１と、第２駆動電源５２と、をさらに備えている。記録電源４０の端子４０ａは、導電線１２０の一端１２１に接続されている。導電線１２０の他端１２２は、接地されている。第１駆動電源５１の端子５１ａは、磁性細線１１０の一端（左端）に接続されている。磁性細線１１０の他端（右端）は、第２駆動電源５２の端子５２ａに接続されている。符号４０ｂ，５１ｂ，５２ｂは接地端子であり、符号４０ｃ，５１ｃ，５２ｃは操作表示部である。記録電源４０が導電線１２０に電圧を印加することで、導電線１２０に記録電流Ａが流れ、磁性細線１１０に磁区を形成することができる。第１駆動電源５１が磁性細線１１０に正の電圧を印加すると、磁性細線１１０に流れる電流によって磁区を右へ駆動させることができる。第２駆動電源５２が磁性細線１１０に正の電圧を印加すると、磁性細線１１０に流れる電流によって磁区を左へ駆動させることができる。

【0005】

なお、従来、磁性細線に直交するように設けられた導電性の金属配線を記録素子として用いる方法は広く実施されている（例えば非特許文献１参照）。ただし、記録素子としての１本の導電線１２０に電流を流すことで発生する磁界では、磁性細線１１０の長手方向に微小な磁区を形成することが難しく、磁区の形状も揺らいでしまう。そこで、非特許文献２に開示された手法では、記録素子としての導電線が磁性細線上を往路と復路の２回跨ぐ構造を有し、２本の記録素子の合成磁界によって、２本の記録素子に挟まれた微小な磁性細線領域に磁区を形成するように改善している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【文献】近藤剛、外７名、「Co/Ni細線内磁壁位置制御技術と磁気シフトレジスタへの応用」、電子情報通信学会技術研究報告、2017年10月12日、vol. 117、no.24、p.13-16

【文献】川那真弓、外３名、「様々な記録素子形状における磁性細線中への磁区形成シミュレーション」、日本磁気学会学術講演概要集、2018年8月28日、第42巻、P.109

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

磁性細線デバイス１０１において、層間絶縁層１３０は磁性細線１１０と導電線１２０との絶縁性を担保する必要性があるが、層間絶縁層１３０を必要以上に厚くし過ぎると、磁性細線１１０と導電線１２０との間の距離が大きくなることで、磁性細線１１０上に印加される記録磁界Ｈが弱くなってしまう。その結果、記録電流Ａの電流値を増大させる必要が生じたり、ひいては大電流を導電線１２０へ流すことによる素子の破壊の原因となる。そのため、層間絶縁層３０の膜厚は薄い方が望ましい。しかし、層間絶縁層１３０を薄くすることにより、図１４および図１５に示す磁区記録時に記録電流Ａの一部が磁性細線１１０へリーク電流として流出する。このリーク電流は、磁区記録時に磁性細線１０上にすでに形成されている磁区を意図せず駆動させる原因となる。つまり、磁区記録と磁区駆動とが同時に起こるため、磁区記録時に形成される磁区が、磁区駆動の影響で広がってしまい、最小ビット長を、予め設定された値よりも大きくする虞がある。

【0008】

また、製造された多数個の磁性細線デバイス１０１の中には、磁性細線１１０と導電線１２０との間の層間絶縁層１３０の膜の不良や、素子の製造における歩留まりから、十分な絶縁性が確保できなかったために、相対的にリーク電流の大きな素子が含まれることがある。そのようなリーク電流の大きな素子においては、リーク電流に伴うジュール熱によって、磁性細線１１０中にこれから記録する磁区や、すでに形成されている磁区がバラバラに破壊されるため、磁区記録自体が困難となる。

【0009】

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、リーク電流を抑制し、デバイスとしての動作を実現することができる磁性細線デバイスの制御方法、および、磁性細線デバイスを提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

前記課題を解決するために、本発明に係る磁性細線デバイスの制御方法は、細線状の磁性体である磁性細線と、前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する導電線と、を備える磁性細線デバイスの制御方法であって、前記導電線に電気的に接続された記録電源によって、前記磁区に対応する前記情報の記録に要する所定の記録期間に、前記導電線に記録電圧を印加する工程と、前記磁性細線の長手方向の一端に電気的に接続された第１駆動電源によって、前記記録期間の少なくとも一部を含む第１期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第１バイアス電圧を印加する工程と、前記磁性細線の長手方向の他端に電気的に接続された第２駆動電源によって、前記記録期間の少なくとも一部を含む第２期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第２バイアス電圧を印加する工程と、を含むこととした。

【0011】

また、本発明に係る磁性細線デバイスは、細線状の磁性体である磁性細線と、前記磁性細線に層間絶縁層を介して配置されて電流磁界によって前記磁性細線に情報を磁区として記録する導電線と、前記磁区に対応する前記情報の記録に要する所定の記録期間に前記導電線に記録電圧を印加する記録電源と、前記記録期間の少なくとも一部を含む第１期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第１バイアス電圧を前記磁性細線の長手の第１方向に印加する第１駆動電源と、前記記録期間の少なくとも一部を含む第２期間に、前記磁性細線に前記記録電圧よりも小さな第２バイアス電圧を前記磁性細線の長手の前記第１方向とは反対向きの第２方向に印加する第２駆動電源と、を備える構成とした。

【発明の効果】

【0012】

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
磁性細線デバイスの制御方法によれば、磁性細線デバイスにおける導電線から磁性細線へのリーク電流を抑制し、デバイスとしての動作を実現することができる。また、磁性細線デバイスによれば、リーク電流を抑制し、デバイスとしての動作を実現することができる。さらに、リーク電流が大きな素子として従来技術では使用に供されないデバイスであってもリーク電流を抑制して活用できる可能を高めることができる。したがって、歩留まりを向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の実施形態に係る磁性細線デバイスの模式図である。

【図2】図１の磁性細線デバイスを導電線の軸方向から視た模式図である。

【図3】図１の磁性細線デバイスに磁区を記録するときに印加される電圧のタイミングチャートであり、（ａ）は記録電源、（ｂ）は第１駆動電源、（ｃ）は第２駆動電源をそれぞれ示している。

【図4】比較例に係る磁性細線デバイスの導電線に流れた記録電流の時間変化を示すグラフである。

【図5】比較例に係る磁性細線デバイスの磁性細線に流れたリーク電流の時間変化を示すグラフである。

【図6】実施例に係る磁性細線デバイスの導電線に印加したパルス電圧と磁性細線に印加したバイアスパルス電圧の時間変化を示すグラフである。

【図7】実施例に係る磁性細線デバイスの導電線に流れた記録電流の時間変化を示すグラフである。

【図8】実施例に係る磁性細線デバイスの磁性細線に流れたリーク電流の時間変化を示すグラフである。

【図9】実施例に係る磁性細線デバイスの磁性細線に上向き磁区と下向き磁区とを交互に形成したときの磁気光学顕微鏡による観察像である。

【図10】図９のように上向き磁区と下向き磁区とを交互に記録するときに印加される電圧のタイミングチャートの一例であり、（ａ）は記録電源、（ｂ）は第１駆動電源、（ｃ）は第２駆動電源をそれぞれ示している。

【図11】図９のように上向き磁区と下向き磁区とを交互に記録するときに印加される電圧のタイミングチャートの他の例であり、（ａ）は記録電源、（ｂ）は第１駆動電源、（ｃ）は第２駆動電源をそれぞれ示している。

【図12】本発明の実施形態に係る磁性細線デバイスの変形例の模式図である。

【図13】従来の磁性細線デバイスの素子の模式図であって、（ａ）は導電線が磁性細線とねじれの位置に配置された様子、（ｂ）は導電線に流す電流の向き、（ｃ）は導電線の軸方向から視た様子をそれぞれ示している。

【図14】従来の磁性細線デバイスを動作させるときの模式図である。

【図15】図１４の磁性細線デバイスを導電線の軸方向から視た模式図である。

【図16】比較例に係る磁性細線デバイスにリーク電流が発生した後の磁気力顕微鏡による観察画像である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

まず、磁性細線デバイスの概要について図１および図２を参照して説明する。本実施形態では、磁性細線デバイス１は、メモリであるものとして説明する。磁性細線デバイス１は、磁性細線１０と、導電線２０と、層間絶縁層３０と、記録電源４０と、第１駆動電源５１と、第２駆動電源５２と、を備えている。磁性細線１０は、細線状の磁性体である。導電線２０は、磁性細線１０に層間絶縁層３０を介して配置されて電流磁界によって磁性細線１０に情報を磁区Ｄとして記録するものである。記録電源４０は、磁区Ｄに対応する情報の記録に要する所定の記録期間に導電線２０に記録電圧を印加するものである。第１駆動電源５１は、記録期間の少なくとも一部を含む第１期間に、磁性細線１０に記録電圧よりも小さな第１バイアス電圧を磁性細線１０の長手の第１方向に印加するものである。第２駆動電源５２は、記録期間の少なくとも一部を含む第２期間に、磁性細線１０に記録電圧よりも小さな第２バイアス電圧を磁性細線１０の長手の第１方向とは反対向きの第２方向に印加するものである。

【0015】

次に、磁性細線デバイス１の各部の詳細な構成について更に説明する。
本実施形態では、磁性細線デバイス１は、一例として、１本の磁性細線１０と、２本の記録素子を持つこととした。磁性細線デバイス１は、磁性細線１０上に層間絶縁層３０を介して、磁性細線１０に対してねじれの位置に導電線２０が形成されている。

【0016】

磁性細線１０は、薄膜であって、しかも長さに対して厚さおよび幅が小さい細線状に形成されている。磁性細線１０の厚さは例えば１０ｎｍ～２μｍ、幅は例えば２０ｎｍ～１００μｍ、長さは例えば１００ｎｍ～５００μｍとすることができる。なお、後記する実施例では磁性細線１０の膜厚は例えば数ｎｍオーダーであるものとする。磁性細線１０は、電子線描画もしくはフォトリソグラフィ工程およびエッチングまたはリフトオフにより、前記形状に成形される。磁性細線１０を記録媒体として利用し、高密度に情報を記録するためには、磁性細線１０の材料として、垂直磁気異方性を持つ磁性材料を用いることが好ましい。そのような材料としては、例えばＣｏ－Ｔｂ，Ｃｏ－Ｐｄ，Ｃｏ－Ｃｒ，Ｃｏ－Ｐｔ，Ｃｏ－Ｃｒ－Ｐｔ等の合金や、Ｔｂ－Ｆｅ－Ｃｏ，Ｇｄ－Ｆｅ等の希土類金属と遷移金属との合金（ＲＥ－ＴＭ合金）が挙げられる。

【0017】

導電線２０は、磁性細線１０とは電気的に隔離された状態で磁性細線内部に磁区を形成する記録素子用導電層である。導電線２０は、磁性細線１０とねじれの位置に、磁性細線１０を例えば２回またぐようにパターンとして形成されている。導電線２０の厚さ、幅、長さ等の範囲は、概ね磁性細線１０の厚さ、幅、長さ等の範囲と同様にすることができる。なお、後記する実施例では導電線２０の膜厚は、例えば１００ｎｍオーダーであるものとする。

【0018】

導電線２０の材料としては、一般的な電極材料を適用できる。具体的には、例えば、導電性のよいＣｕ，Ａｌ，Ａｕ，Ａｇ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｏ等の金属やその合金を挙げることができる。一例としては、導電線２０の材料に、Ａｕを用いることが好適である。導電線２０の形成方法としては、例えばスパッタリング法等の公知の方法により電極材料を成膜し、電子線描画もしくはフォトリソグラフィ工程と、エッチングまたはリフトオフ法等の工程とを用いることで例えば図１に示す形状の導電線２０を形成できる。

【0019】

なお、図１および図２に示す例では、導電線２０の断面形状を円形としたが矩形でも構わない。また、導電線２０および磁性細線１０の断面形状は、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形等でも構わない。

【0020】

層間絶縁層３０を形成する絶縁体は、一般的な絶縁体材料で構成されている。このような材料として、例えばＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃等の酸化膜や、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）やＭｇＦ₂等を挙げることができる。層間絶縁層３０は、図示しない基板上で安定に支持されていればその形状は図示した平板状に限定されず、例えば、導電線２０の間に絶縁材料を充填してもよい。または、層間絶縁層３０は、導電線２０の周囲に絶縁材料を敷き詰めた絶縁被膜としてもよい。

【0021】

記録電源４０、第１駆動電源５１および第２駆動電源５２において、符号４０ａ，５１ａ，５２ａは端子、符号４０ｂ，５１ｂ，５２ｂは接地端子、符号４０ｃ，５１ｃ，５２ｃは操作表示部である。
記録電源４０は、導電線２０に電圧を印加するものである。以下では、記録電源４０は、導電線２０にパルス電圧を印加するものとして説明する。記録電源４０の端子４０ａは、導電線２０の一端２１に接続されている。導電線２０の他端２２は、接地されている。記録電源４０が導電線２０に電圧を印加することで、導電線２０に記録電流Ａが流れ、磁性細線１０に磁区を形成することができる。記録電流Ａの向きが図１に示す向きの場合、磁性細線１０上に上向きの磁区を形成することができる。ここで、記録電流Ａの向き、すなわち電流の正負を変えることで、磁性細線１０上に下向きの磁区を形成することもできる。

【0022】

第１駆動電源５１は、磁区記録時に磁性細線１０にバイアス電圧（第１バイアス電圧）を印加するものである。第２駆動電源５２は、磁区記録時に磁性細線１０にバイアス電圧（第２バイアス電圧）を印加するものである。第１駆動電源５１の端子５１ａは、磁性細線１０の一端（左端）に接続されている。磁性細線１０の他端（右端）は、第２駆動電源５２の端子５２ａに接続されている。ここで、バイアス電圧とは、磁区記録時における導電線２０の電位と、磁区記録時における磁性細線１０の電位との差を縮小させるために、磁性細線１０の電位を嵩上げするために磁性細線１０に印加される電圧のことである。
本願発明者らは、導電線２０と磁性細線１０とが層間絶縁膜３０によって絶縁されているデバイスについて種々の検討を行った。磁性細線デバイス１のようなデバイスにおいて、磁区記録時に導電線２０に電流（記録電流）を流すと、層間絶縁膜３０を介して、磁性細線１０にリーク電流が流れるのは、記録時に導電線２０と磁性細線１０との間に電位差があるためである。そこで、記録時のリーク電流を抑制するために、本来は記録時には磁性細線１０に電圧を印加する必要がないところ、本願発明者らは、記録時に上記したバイアス電圧を磁性細線１０に印加することとした。

【0023】

以下では、第１バイアス電圧および第２バイアス電圧は、パルス電圧であるものとして説明する。バイアスパルス電圧の大きさは、記録電源４０から導電線２０に印加するパルス電圧よりも小さくする。その理由は、磁性細線１０の膜厚と導電線２０の膜厚とは大きく異なるので、導電線２０に印加するパルス電圧と同じ程度のバイアスパルス電圧を磁性細線１０に印加すると、磁性細線１０が破壊する虞があるからである。バイアス電圧の上限値は、磁性細線１０の耐圧を事前に予め把握した上で適宜設定される。また、バイアス電圧の上限値は、記録電源４０が導電線２０にパルス電圧を印加したときに、導電線２０から磁性細線１０へ流れるリーク電流により磁性細線１０上の磁区が動かない程度の電圧値として設定される。また、この上限値は、磁気光学顕微鏡などの磁区の様子を観察する装置を用いることで確定することができる。

【0024】

次に、磁性細線デバイスの制御方法の概要について説明する。
磁性細線デバイス１の制御方法は、磁性細線デバイス１の磁区記録時における磁区制御に関する方法であって、記録電圧印加工程と、第１バイアス電圧印加工程と、第２バイアス電圧印加工程と、を含んでいる。
記録電圧印加工程は、導電線２０に電気的に接続された記録電源４０によって、磁区Ｄに対応する情報の記録に要する所定の記録期間に、導電線２０に記録電圧を印加する工程である。
第１バイアス電圧印加工程は、磁性細線１０の長手方向の一端に電気的に接続された第１駆動電源５１によって、記録期間の少なくとも一部を含む第１期間に、磁性細線１０に記録電圧よりも小さな第１バイアス電圧を印加する工程である。
第２バイアス電圧印加工程は、磁性細線１０の長手方向の他端に電気的に接続された第２駆動電源５２によって、記録期間の少なくとも一部を含む第２期間に、磁性細線１０に記録電圧よりも小さな第２バイアス電圧を印加する工程である。

【0025】

ここで、記録期間に重複する第１期間と、記録期間に重複する第２期間とは、記録期間内でずれていてもよいし、第１期間が終わった後に第２期間が開始されてもよいが、第１期間および第２期間は、重複する期間を有する方がより効果があって好ましい。また、よりいっそう効果を高めるために第１期間および第２期間は、記録期間のすべてを含む期間であることが望ましい。その場合には、第１期間および第２期間は、記録電圧を印加する記録期間と同じタイミングでもよい（図３）。または、第１期間および第２期間は、記録期間をまるごと含んで記録期間よりも長い期間でも構わない。

【0026】

この磁性細線デバイスの制御方法の具体例について図３を参照（適宜図１および図２参照）して説明する。図３は、磁性細線デバイス１の磁区記録時において、磁性細線１０の両端から同時にパルス電圧を印加するときの各電源のタイミングチャートを示す。

【0027】

本実施形態に係る磁性細線デバイスの制御方法は、図示するように、記録電圧が正の電圧のときに、第１バイアス電圧および第２バイアス電圧も正の電圧であり、記録電圧が負の電圧のときに、第１バイアス電圧および第２バイアス電圧も負の電圧である。

【0028】

具体的には、図３（ａ）に示すように時間が０からｔ１までの期間では、記録電源４０から導電線２０へ印加されるパルス電圧（記録電圧）は正である。ここでは、導電線２０へ印加されるパルス電圧（記録電圧）が例えば正のときに、図２に示すように磁性細線１０上に上向きの磁区を形成することとする。つまり、時間が０からｔ１までの期間は、磁性細線１０上に上向きの磁区を形成するときの記録期間である。

【0029】

時間が０からｔ１までの期間には、図３（ｂ）に示すように第１駆動電源５１から磁性細線１０へ印加される第１バイアスパルス電圧は正である。時間が０からｔ１までの期間は、記録期間の少なくとも一部を含む第１期間であって、この場合、記録電圧を印加する記録期間と第１期間は同じタイミングである。
また、時間が０からｔ１までの期間には、図３（ｃ）に示すように第２駆動電源５２から磁性細線１０へ印加される第２バイアスパルス電圧も正である。時間が０からｔ１までの期間は、記録期間の少なくとも一部を含む第２期間であって、この場合、記録電圧を印加する記録期間と第２期間は同じタイミングである。

【0030】

また、図３（ａ）に示すように時間がｔ２からｔ３までの期間では、記録電源４０から導電線２０へ印加されるパルス電圧（記録電圧）は負である。導電線２０へ印加されるパルス電圧（記録電圧）が負のときに、磁性細線１０上に下向きの磁区を形成することとする。つまり、時間がｔ２からｔ３までの期間は、磁性細線１０上に下向きの磁区を形成するときの記録期間である。

【0031】

時間がｔ２からｔ３までの期間には、図３（ｂ）に示すように第１駆動電源５１から磁性細線１０へ印加される第１バイアスパルス電圧は負である。時間がｔ２からｔ３までの期間は、記録期間の少なくとも一部を含む第１期間であって、この場合、記録電圧を印加する記録期間と第１期間は同じタイミングである。
また、時間がｔ２からｔ３までの期間には、図３（ｃ）に示すように第２駆動電源５２から磁性細線１０へ印加される第２バイアスパルス電圧も負である。時間がｔ２からｔ３までの期間は、記録期間の少なくとも一部を含む第２期間であって、この場合、記録電圧を印加する記録期間と第２期間は同じタイミングである。

【0032】

図３（ｂ）および図３（ｃ）に示すように第１バイアス電圧および第２バイアス電圧は、同じ大きさにすることができる。また、第１バイアス電圧および第２バイアス電圧は、同じタイミングで印加することができる。

【0033】

この磁性細線デバイスの制御方法は、導電線２０に電流を流す際に（記録期間に）、例えば同じタイミングで記録期間に重複するように、磁性細線１０に対して磁性細線１０の両端からバイアス電圧を印加する。または、その記録期間よりも長い期間に、記録期間に重複するように、磁性細線１０に対して磁性細線１０の両端からバイアス電圧を印加する。ここで、記録期間よりも長い期間とは、例えば、その開始時刻を記録期間の開始時刻よりも前に設定したこと、その終了時刻を記録期間の終了時刻よりも後に設定したこと、あるいは、記録期間の開始終了時刻を丸ごと含む期間を設定したことを意味する。
これらのようにすることで、記録期間において磁性細線１０の電位と導電線２０の電位との電位差を小さくすることができる。その結果、導電線２０から磁性細線１０へ漏れるリーク電流を抑制し、デバイスとしての動作を実現する。

【0034】

もしも記録期間において磁性細線１０の片一方からのみパルス電圧（バイアス電圧）を印加すると、そのパルス電圧により意図しない磁区駆動が生じるか、または磁区の破壊が起こる。一方、この磁性細線デバイスの制御方法は、記録期間において磁性細線１０の両端からバイアス電圧を印加して磁性細線１０の電位と導電線２０の電位との電位差を小さくするので、磁区駆動や磁区破壊を防止することができる。そのため、導電線２０に対して、本来的に層間絶縁層３０が破壊されて短絡してしまうような大きさの電圧を印加することもできる。したがって、磁性細線デバイス１によれば、従来の素子の耐圧を超えた大きな記録電圧を導電線２０に印加することができる。

【0035】

次に、以下の条件で製造した磁性細線デバイス１の具体例について説明する。
（磁性細線の条件）
表面熱酸化シリコン基板にスパッタリング法を用いて磁性細線１０を形成した。磁性細線１０としては、垂直磁気異方性を持つ材料を用い、コバルトとテルビウムの多層積層膜（膜厚４．５ｎｍ）と、その上に白金を堆積させ合計膜厚を７．５ｎｍとした。また、このときの磁性細線１０の幅を３μｍとした。

【0036】

（導電線および層間絶縁層の条件）
上記磁性細線１０の上に層間絶縁層３０として窒化シリコンを１８ｎｍの膜厚で堆積させた。上記層間絶縁層３０の上に、導電線２０を膜厚１００ｎｍ、幅３μｍのサイズで形成した。このとき、非特許文献２に開示された手法にならって、図１に示すように、記録素子としての導電線２０が、磁性細線１０上を往路と復路の２回跨ぐ構造を有し、２本の記録素子の合成磁界によって、２本の記録素子に挟まれた微小な磁性細線領域に磁区Ｄを形成するものとした。２本の記録素子は、ここでは１つの導電線２０からなる。そして、導電線２０の図１において左側の領域が往路として磁性細線１０上を跨いでおり、かつ、導電線２０の図１において右側の領域が復路として磁性細線１０上を跨いでいる。

【0037】

前記した層間絶縁層３０の膜厚（１８ｎｍ）は、導電線２０と磁性細線１０との絶縁性を確保するために十分な膜厚である。ただし、このような磁性細線デバイス１を多数個作ったときに、歩留まりや基板上の位置に起因する不均一性により、中には、絶縁性の良い素子もあれば、絶縁性の悪い素子も生じる。この絶縁性が悪い素子は、磁区記録時に、導電線２０から磁性細線１０にリーク電流が生じる。そこで、あえて絶縁性が悪い素子を選択し、以下の実験１，２を行った。

【0038】

（絶縁性の悪い素子に関する補足説明）
層間絶縁層３０の膜厚は１８ｎｍと非常に薄いため、１つの同じ基板上で複数の磁性細線１０を形成したときに、それぞれのばらつきの差によりリーク電流が生じる場合がある。また、導電線２０を一体形成した磁性細線デバイス１を製造する過程において、基板上に磁性細線１０／層間絶縁層３０／導電線２０の順に各層を製膜する際に、例えば、電子線描画によるパターンの形成、スパッタ装置による材料の堆積、レジスト剥離などの多くのプロセスを介しながら積層構造を形成するのが通常である。そのため、製造時における歩留まりの問題により、本来はリーク電流が発生しない条件でデバイスを設計したとしても、やむなくリーク電流が発生する場合がある。リーク電流発生の原因としては、例えば、層間絶縁層３０の膜厚の均一性、磁性細線１０や導電線２０のエッジ形状、基板上における膜厚の不均一性などが挙げられる。

【0039】

（実験１）
この絶縁性が悪い素子を用いて以下の実験１を行った。実験１は、本発明の効果を説明するための比較例に係る実験であって、磁区記録時における記録電圧印加工程のみを行うものである。この実験１では、前記した導電線および層間絶縁層の条件や磁性細線の条件に基づく次の評価基準を用いた。

【0040】

（評価基準１）
これまでに、磁性細線１０に磁区記録するために導電線２０に流す必要がある電流値に関する本願発明者らの研究によれば、前記した導電線および層間絶縁層の条件の場合には、導電線２０に流す記録電流の値が約１００ｍＡのときに、磁性細線１０上に磁区記録ができることが分かっている。
（評価基準２）
また、これまでに、磁性細線１０上に形成された磁区を駆動させるときに磁性細線１０に流す必要がある電流値に関する本願発明者らの研究によれば、前記した磁性細線の条件の場合には、磁性細線１０に流す電流の値が約３．５ｍＡを超えるときに、磁区が駆動することが分かっている。

【0041】

上記評価基準１，２によれば、磁性細線１０上に磁区記録しつつも磁区駆動させない目的のためには、導電線２０に約１００ｍＡの記録電流を流したときに、磁性細線１０に流れてしまうリーク電流の値を約３．５ｍＡよりも小さくしなければならないことが分かる。

【0042】

この絶縁性が悪い素子を用いた実験１では、図１の記録電源４０から導電線２０に印加するパルス電圧（記録電圧）を徐々に上げていきながら、そのときの記録電流とリーク電流との関係を求めた。実験１の結果、記録電圧の値が磁区記録に必要なレベルに達する前に磁区駆動が発生してしまった。具体的には、導電線２０に対して、磁区記録に必要な電流値（約１００ｍＡ）よりも低い電流値（７２．４ｍＡ）の記録電流を流した時点で、磁性細線１０に流れるリーク電流２の値が５．７ｍＡ（＞３．５ｍＡ）になった。つまり、リーク電流２が磁区を駆動させてしまうことが分かった。実験１に用いた絶縁性が悪い素子では、リーク電流２がリーク電流１よりも大きいため、磁性細線１０中の磁区は、導電線２０から見て磁性細線１０の右側へ移動した。このときに導電線２０に流れた記録電流の時間変化を図４に示し、磁性細線１０に流れたリーク電流の時間変化を図５に示す。

【0043】

なお、リーク電流１は、図２に示すように導電線２０から磁性細線１０を介して第１駆動電源５１側へ流れたリーク電流である。リーク電流２は、図２に示すように導電線２０から磁性細線１０を介して第２駆動電源５２側へ流れたリーク電流である。
また、図５において、リーク電流の立ち上がり、立下りにおける鋭いピークはパルス成分による高周波成分によるものである。
また、図５から図８を参照して説明する電流値および電圧値は、１．５μｓのときの値である。

【0044】

実験１では、導電線２０に対して、磁区記録に必要な電流値（約１００ｍＡ）よりも低い電流値（７２．４ｍＡ）の記録電流を流して磁区が駆動した後、リーク電流の存在を無視して、このまま記録電流の値を大きくしてみた。すると、リーク電流により磁区の破壊が発生し、磁区記録の可否の評価が困難であり、さらには、磁性細線１０と導電線２０の絶縁破壊によって素子自身の物理的な破壊現象が起こることが分かった。図１６は、リーク電流の発生後の磁区の様子を示す磁気光学顕微鏡による観察画像である。記録時に記録電流の一部が磁性細線１０へリーク電流として流出した結果、ジュール熱によって、磁性細線１０上の磁区がどこにあるか全く判別できないようにバラバラに破壊されている。このような磁区の破壊現象を、磁区のメイズパターン化と呼ぶ。

【0045】

（実験２）
絶縁性が悪い素子を用いて以下の実験２を行った。実験２は、実施例であって、磁区記録時における記録電圧印加工程と、第１バイアス電圧印加工程と、第２バイアス電圧印加工程と、を行うものである。実験２においても上記評価基準１，２を用いた。

【0046】

図６および図７は、実験２の実験条件を示している。図６は、図１の記録電源４０から導電線２０に印加したパルス電圧（記録電圧）と、第１駆動電源５１から磁性細線１０へ印加するバイアスパルス電圧１と、第２駆動電源５２から磁性細線１０へ印加するバイアスパルス電圧２とをそれぞれ示している。このときに導電線２０に流れる記録電流は、図７に示すように１００ｍＡである。

【0047】

また、実験２では、導電線２０に記録電流を流すためのパルス電圧（記録電圧）の印加と同時に、磁性細線１０にも同じバルス幅でバイアス電圧を印加することで、導電線２０と磁性細線１０との電位差を小さくした。このときに導電線２０に印加したパルス電圧（記録電圧）は２４．７Ｖである。

【0048】

実験２に用いた絶縁性が悪い素子において、磁性細線１０の膜厚（７．５ｎｍ）は、導電線２０の膜厚（１００ｎｍ）に比べて非常に薄い。そのため、導電線２０に印加するパルス電圧（記録電圧）と同じ大きさの電圧を磁性細線１０に印加すると磁性細線１０が破壊する恐れがある。そこで、磁性細線１０に印加するバイアス電圧の電圧値は、リーク電流により磁区が動かない程度の電圧値とした。前記した磁性細線の条件および、前記した導電線および層間絶縁層の条件では、導電線２０に印加するパルス電圧（記録電圧）と、磁性細線１０に印加するバイアス電圧との電位差が常に約１３Ｖとなるように調整した。つまり、図６に示すように、導電線２０に印加したパルス電圧（記録電圧）が２４．７Ｖのとき、磁性細線１０に印加するバイアス電圧が約１１．７Ｖとなるように調整した。このことは、従来のようにバイアス電圧を用いないときには導電線２０の電位と磁性細線１０の電位との電位差が２４．７Ｖであるのに対して、実施例では、導電線２０の電位と磁性細線１０の電位との電位差を約１１．７Ｖへと低減させたことを意味する。

【0049】

実験２の実験結果を図８に示す。図８は、図６および図７に示した実験条件のときに、磁性細線１０の図２における左端へ流れたリーク電流１と、磁性細線１０の図２における右端へ流れたリーク電流２を示している。図８に示すように、リーク電流１は１．５ｍＡ（＜３．５ｍＡ）であり、リーク電流２は０．９ｍＡ（＜３．５ｍＡ）であった。したがって、導電線２０に対して、磁区記録に必要な記録電流（１００ｍＡ）を流したときに、磁性細線１０に流れてしまうリーク電流の値が、磁区の駆動に必要な電流値（約３．５ｍＡ）よりも十分に低くすることができた。そのため、実験２（実施例）によれば、磁区の破壊を起こすことなく磁区を記録することができることを確かめることができた。なお、図８におけるリーク電流の立ち上がり、立下りにおける鋭いピークは、パルス成分による高周波成分によるものであり、磁区の駆動には寄与しなかった。

【0050】

磁性細線デバイス１について磁区記録時における動作説明を行ったが、磁性細線デバイス１は、磁区記録時の後に、磁区駆動を行うこともできる。すなわち、本実施形態に係る磁性細線デバイス１において、第１駆動電源５１または第２駆動電源５２は、記録期間の後に設定された駆動期間に、磁性細線１０に形成されている磁区を駆動する駆動電圧を印加する。つまり、磁性細線デバイス１において、磁性細線１０へ印加するバイアスパルス電圧を生成する電源である第１駆動電源５１および第２駆動電源５２を、磁区駆動時に、磁性細線１０上に形成されている磁区を駆動させる電源としてそのまま用いることができる。なお、逆に言えば、バイアスパルス電圧を導電線２０へ印加する電源としては、磁性細線１０上の磁区を駆動させるための磁区駆動電源をそのまま用いることができるため、特別なものを用意する必要がない。

【0051】

よって、磁区駆動時に、例えば第１駆動電源５１が磁性細線１０に正の電圧を印加すると、磁性細線１０には、第１駆動電源５１の側から第２駆動電源５２の側へ駆動電流が流れ、磁区を右へ駆動させることができる。また、磁区駆動時に第２駆動電源５２が磁性細線１０に正の電圧を印加すると、磁性細線１０には、第２駆動電源５２の側から第１駆動電源５１の側へ駆動電流が流れ、磁区を左へ駆動させることができる。

【0052】

一例として、磁性細線デバイス１において、上向きの磁区記録および、そのときに記録された磁区の駆動と、下向き磁区記録および、そのときに記録された磁区駆動と、を交互に繰り返す場合について説明する。

【0053】

図９は、上向き磁区と下向き磁区とを交互に磁性細線１０に形成した場合の磁気光学顕微鏡による観察像である。図９において、２本の記録素子は１つの導電線２０からなる。そして、磁性細線１０において、概ね図９における左側の記録素子の幅方向の中心位置から、図９における右側の記録素子の幅方向の中心位置までの磁性細線領域に亘って磁区Ｄが形成される。また、磁性細線１０において、概ね図９における右側の記録素子の右側の磁性細線領域に形成された磁区Ｄが２回目に形成された下向き磁区であり、さらに右側の磁性細線領域に形成された磁区Ｄが１回目に形成された上向き磁区である。図９の画像は分かりにくいところもあるが、磁性細線１０上に符号Ｄで示す２カ所に磁区が移動した。

【0054】

上向き磁区と下向き磁区とを交互に磁性細線１０に形成する場合に、磁性細線デバイス１の制御方法の一例について図１０を参照して説明する。まず、時間が０からｔ１１までの期間では、図１０（ａ）に示すように記録電源４０から導電線２０へ印加されるパルス電圧（記録電圧）は正であり、また、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に示すように第１および第２バイアスパルス電圧も正である。この期間には、上向きの磁区が記録される。なお、この期間の動作は、図３のタイミングチャートにおける時間が０からｔ１までの期間の動作と同様である。

【0055】

次に、時間がｔ１１からｔ１２までの期間は、前の期間に形成された上向きの磁区を駆動する期間である。図１０（ｂ）に示すように第１駆動電源５１が磁性細線１０に正のパルス電圧（磁区駆動パルス）を印加すると、磁性細線１０には、第１駆動電源５１の側から第２駆動電源５２の側へ駆動電流が流れ、上向き磁区を図２において右へ駆動させることができる。なお、第１駆動電源５１が磁区駆動時に磁性細線１０に印加する磁区駆動パルスの大きさは、第１駆動電源５１が磁区記録時に磁性細線１０に印加する第１バイアスパルス電圧の大きさよりも小さい。

【0056】

次に、時間がｔ１２からｔ１３までの期間には、下向きの磁区が記録される。なお、この期間の動作は、図３のタイミングチャートにおける時間がｔ２からｔ３までの期間の動作と同様である。

【0057】

次に、時間がｔ１３からｔ１４までの期間は、前の期間に形成された下向きの磁区を駆動する期間である。図１０（ｂ）に示すように第１駆動電源５１が磁性細線１０に正のパルス電圧（磁区駆動パルス）を印加すると、磁性細線１０には、第１駆動電源５１の側から第２駆動電源５２の側へ駆動電流が流れ、下向き磁区を図２において右へ駆動させることができる。

【0058】

なお、図１１に示すように、第１駆動電源５１に代えて、第２駆動電源５２が磁性細線１０にパルス電圧（磁区駆動パルス）を印加することによって、上向き磁区と下向き磁区とを交互に磁性細線１０に形成することもできる。

【0059】

この場合、図１１に示すように、時間が０からｔ１１までの期間には、上向きの磁区が記録される。次に、時間がｔ１１からｔ１２までの期間は、前の期間に形成された上向きの磁区を駆動する期間である。図１１（ｃ）に示すように第２駆動電源５２が磁性細線１０に負のパルス電圧（磁区駆動パルス）を印加すると、磁性細線１０には、第１駆動電源５１の側から第２駆動電源５２の側へ駆動電流が流れ、上向き磁区を図２において右へ駆動させることができる。なお、第２駆動電源５２が磁区駆動時に磁性細線１０に印加する磁区駆動パルスの大きさは、第２駆動電源５２が磁区記録時に磁性細線１０に印加する第２バイアスパルス電圧の大きさよりも小さい。

【0060】

次に、時間がｔ１２からｔ１３までの期間には、下向きの磁区が記録される。次に、時間がｔ１３からｔ１４までの期間は、前の期間に形成された下向きの磁区を駆動する期間である。図１１（ｃ）に示すように第２駆動電源５２が磁性細線１０に負のパルス電圧（磁区駆動パルス）を印加すると、磁性細線１０には、第１駆動電源５１の側から第２駆動電源５２の側へ駆動電流が流れ、下向き磁区を図２において右へ駆動させることができる。

【0061】

本発明は、前記した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば第１駆動電源５１および第２駆動電源５２から磁性細線１０へ印加するバイアス電圧は、パルス電圧（バイアスパルス電圧）であるものとしたが、直流電圧（バイアス直流電圧）としても構わない。この場合においても、同様にリーク電流低減の効果を奏することができる。ただし、直流バイアス電圧は常時印加することになるので、消費電力の低減の観点からは、パルス電圧（バイアスパルス電圧）とすることが望ましい。

【0062】

また、磁性細線１０が磁性材料としてＣｏ－Ｔｂを含む具体例について説明したが、他の垂直磁気異方性を持つ材料を用いてもよい。磁性細線デバイスを構成する磁性材料に、Ｔｂのように酸素や水分によって酸化されるものも含まれる場合には、磁性細線が酸化されることで、磁区駆動がしにくくなる虞がある。また、酸化が進むことで磁性細線中の磁化が失われ、磁区記録も困難になると、磁性細線デバイスとしての機能を失うことになる。したがって、磁性材料の種類によっては、磁性細線デバイスの酸化を防ぐために、磁性細線デバイスの素子を外気から十分に遮断できる容器に封入することが好ましい。この変形例の模式図を図１２に示す。符号２は、磁性細線デバイス１の各電源４０，５１，５２を除いた素子を示す。素子２は、磁性細線１０と、導電線２０と、層間絶縁層３０と、を備えている。外気を遮断する容器６０は磁性細線デバイス１の素子２を大気から隔離するものである。符号６０ａ、６０ｂ、６０ｃはコネクタであり、これらコネクタによって、容器６０外部の大気を隔離しながら容器６０内部の素子２の導電線２０および磁性細線１０に通電することができる。また、外気を遮断する容器６０の内部の雰囲気７０は乾燥窒素雰囲気で満たされているか、もしくは真空である。この変形例によれば、磁性細線デバイスの酸化を防止することで、より正確な磁区記録および磁区駆動の制御および評価が可能となる。

【0063】

磁性細線デバイス１は、メモリであるものとしたが、空間光変調器であってもよい。また、反射型の空間光変調器とする場合、磁性細線１０は、光反射率の高い材料で形成されることが好ましい。

【符号の説明】

【0064】

１ 磁性細線デバイス
１０ 磁性細線（磁性体）
２０ 導電線
３０ 層間絶縁層
４０ 記録電源
５１ 第１駆動電源
５２ 第２駆動電源
６０ 外気を遮断する容器
Ｄ 磁区

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】