磁性工学特論 2004-5-13磁気記録と MRAM

講師：佐藤勝昭( 東京農工大学大学院教授 )

コンピュータと磁気記録• コンピュータのプログラム

やデータを格納しておくのがハードディスク HD と呼ばれる磁気記録装置である。

• 画面からプログラムを起動すると、そのプログラムがHD から半導体のメモリに転送される。 CPU は、メモリ上の各アドレスに置かれた命令を解読して、プログラムを実行する。

ハードディスクドライブ

磁気ヘッド

ディスク媒体

ロータリー・アクチュエーター

半導体メモリ

ハードディスク

磁気ヘッド

ディスク媒体

ロータリー・アクチュエーター

• 磁気記録：磁気ヘッドからの磁界によって磁性体の磁化の状態を変化させて記録。

• ヘッド：軟磁性体• 媒体：硬磁性体

磁気記録（１）情報の記録

磁気ヘッド

磁界 磁性体

残留磁化

磁気ヒステリシス曲線

飽和磁化

保磁力

H

M

Hc

Mr Ms

• 磁気媒体に記録された磁区からの漏れ磁界を磁気ヘッドで検出する– 誘導型磁気ヘッド：磁束変化をコイルで電

圧に変換– 磁気抵抗 (MR) ヘッド：磁束変化→抵抗変化

→電圧

磁気記録（２）情報の読み出し

誘導型磁気ヘッド MR ヘッド

N S N SN S

漏れ磁界

N S N SN S

漏れ磁界

N S

ハードディスクの高密度化はなぜ可能になったか？

• 磁性媒体のグレーンの微細化• → 磁区の微細化• → 高い線密度 (>300kbpi) と高

いトラック密度 (>30ktpi)• 磁束の局所化

– ヘッド浮上量の低減を要求– ヘッドの磁界感度向上を要求

• →MR( 磁気抵抗 ) ヘッド：AMR→GMR(SV)→TMR

• 弱い信号→ PRML など信号処理

Cr

CoCr

CoCrTa 媒体の Co 元素面内分布

Cr CoCr

記録密度とヘッド浮上量

ハードディスクのトラック密度、面記録密度、線記録密度の変遷　

超常磁性限界

MR ヘッド

GMRヘッド

HD の記録密度の状況• HD の記録密度は、 1992 年に MR ヘッドの導入

によりそれまでの年率 25% の増加率 (10 年で10 倍 ) から年率 60%(10 年で 100 倍 ) の増加率に転じ、 1997 年からは、 GMR ヘッドの登場によって年率 100%(10 年で 1000 倍 ) の増加率となっている。

• 超常磁性限界は、 40Gb/in2 とされていたが、 AFC( 反強磁性結合 ) 媒体の登場で、これをクリアし、実験室レベルの面記録密度は 2003年時点ですでに 150 Gb/in2 に達し、 2004 年には 200 Gb/in2 に達すると見込まれる。

ハードディスクの記録密度に限界が

• 1970 年から 1990 年にかけての記録密度の増加は10 年で 10 倍の伸び率であったが、 1990 年代になると 10 年で 100 倍という驚異的な伸び率で増大した。これは再生用磁気ヘッドの進展によるところが大きい。その後も記録媒体のイノベーションにより、実験室レベルでは 100Gb/in2 を超えるにいたった。

• しかし、 2000 年を過ぎた頃からこの伸び方にブレーキがかかってきた。これは、後述するように磁性体の微細化による超常磁性限界が見え始めていることが原因とされる。

超常磁性限界

• 現在使われているハードディスク媒体は CoCrPtB など CoCr 系の多結晶媒体である。強磁性のCoCr 合金の結晶粒が偏析した Cr 粒に囲まれ、互いに分離した膜構造になっている。

• 磁気ヘッドによって記録された直後は、磁化が記録磁界の方向に向いているが、微粒子のサイズが小さくその異方性磁気エネルギー KuV (Kuは単位体積あたりの磁気異方性エネルギー、 Vは粒子の体積 ) が小さくなると、磁化が熱揺らぎ kT によってランダムに配向しようとして減磁するという現象が起きる。これを超常磁性限界と呼んでいる。

Cr CoCr

減磁現象• 実際、 20 Gb/in2 の記録媒体では、その平均の粒

径は 10 nm 程度となり、各結晶粒は磁気的に独立に挙動し、記録された情報が保てない。

• 一例として 16 Gb/in2 の記録媒体において信号強度が t=104 s で 96% に低下することが報告されている。– 細江譲：日本応用磁気学会サマースクール２７テキ

スト p.97(2003)

熱揺らぎによる減磁現象

• 細江譲： MSJ サマースクール２７テキスト p.97(2003)

熱減磁と活性化体積

• 細江譲： MSJ サマースクール２７テキスト p.97(2003)

熱的安定条件• ハードディスクの寿命の範囲でデータが安定である

ための最低条件は、 =KuV/kT>60 とされている。面記録密度 D とすると、粒径 d は D-1/2 に比例するが、記録される粒子の体積 V はほぼ d3 に比例するのでV は D の増大とともに D-3/2 に比例して減少する。この減少を補うだけ、磁気異方性 Ku を増大できれば、超常磁性限界を伸ばすことができる。単磁区の微粒子を仮定し、磁化反転が磁化回転によるとすると、保磁力 Hc は Hc=2Ku/Ms と書かれるから D3/2 以上の伸びで保磁力を増大すれば救済できるはずである[1]。

[1] T.W. McDaniel and W.A. Challener: Proc. MORIS2002, Trans Magn. Soc. Jpn. 2 (2002) 316.

AFC( 反強磁性結合 ) 媒体• AFC 媒体 (antiferromagne

tically coupled media) というのは、 Ru の超薄膜を介して反強磁性的に結合させた媒体のことで、交換結合によって見掛けの V を増大させて、安定化を図るものである。

• 富士通では SF(synthetic ferromagnet) 媒体と称する強磁性結合媒体を用いて超常磁性限界の延伸を図っている。

AFC 媒体の模式図

AFC 媒体、 SF 媒体では、交換結合で見かけの KuV を増大（旧 IBM のホームページより）

超常磁性限界はどこまで伸びるか

• このような方法によって超常磁性限界の到来を多少遅らせることはできても、せいぜい 500Gbits/in2迄であろうと考えられている。

• 保磁力を大きくすれば安定性が向上することは確実であるが、磁気ヘッドで書き込めなくなってしまう。ヘッドの飽和磁束密度には限界があるし、ヘッドの寸法の縮小にも限界がある。現行の磁気ヘッドは理論限界の 1/2 程度のところにまで到達しており、改善の余地はほとんど残されていない。

超常磁性の克服• 保磁力の大きな媒体にどのようにして記録す

るのかという課題への１つの回答が、パターンドメディアを用いた垂直磁気記録技術であるが、もう１つの回答が熱磁気記録である。

• パターンド・メディア–物理的に孤立した粒子が規則的に配列

• 熱アシスト記録（光・磁気ハイブリッド記録）– 記録時に温度を上昇させて Hc を下げ記録。室温

では Hc が増大して熱的に安定になる。

微粒子集合体からパターンドメディアへ

早稲田大学朝日研究室の HP より

中村：日本応用磁気学会 128回研究会テキスト p.9

CoCrPt layer

resist grooveby imprinting

80nm-pitch, 40nm

喜々津氏 ( 東芝 ) のご好意による

ナノインプリントと自己組織化を利用したパターンドメディア

垂直磁気記録• 従来の磁気記録は記録された磁化が媒体

の面内にあるので、面内磁気記録と呼ばれる。長手記録とも呼ばれる。高密度になると、１つの磁区の磁化が隣り合う磁区の磁化を減磁するように働く。

• これに対し、垂直磁気記録では、隣り合う反平行の磁化は互いに強めあうので、記録が安定。

光・磁気ハイブリッド記録（熱アシスト記録）

• 記録時に温度を上昇させて Hc を下げ記録。室温では Hc が増大して熱的に安定になる。

• 再生においては、磁気光学的再生技術を用いる代わりに HD と同じく MR ヘッドで読み出す。

熱アシスト記録材料• 熱磁気記録に用いられる媒体としては、従来

から HDD に用いられてきた CoCr系のグラニュラー媒体を利用する方法と、 MO 媒体として使われてきたアモルファス希土類遷移金属合金媒体を用いる方法が考えられる。また、短波長MO材料として検討された Pt/Co多層膜媒体を用いることも検討されている。いずれにせよ、室温付近で大きな Hc を示し、温度上昇とともに通常の磁気ヘッドで記録できる程度に Hc が減少する媒体が望ましい。

磁気ヘッド拡大図

IOData の HP より

磁気ヘッド

IBM の HP より

GMR(巨大磁気抵抗効果 ) とは？• 強磁性体 (F １ )/非磁性金属 (N)/ 強磁性 (F2)多層膜• F1, F2 平行なら抵抗小。反平行なら抵抗大。

ピン層

フリー層

磁化曲線と GMR

• F1 と F2 の保磁力が異なれば反平行スピンの時に抵抗が高くなる。

H

M

R

H

GMR(SV) ヘッドの原理

磁気抵抗 (MR)効果• MR効果：磁気によって電気抵抗が変化する現

象• いくつかの MR

– AMR （異方性磁気抵抗）– GMR(巨大磁気抵抗効果）– TMR( トンネル磁気抵抗効果）– CMR( 超巨大磁気抵抗効果）

• MR の応用– 磁気ヘッド– MRAM( 磁気ランダムアクセスメモリ )

• スピン依存散乱 MR ratioR(H)/R(0)

H (kOe)

Fe

Cr

Baibich et al.: PRL 62 (88) 2472

層間 結合系の巨大磁気抵抗効果（ GMR ）

GMR 振動と層間結合

Co/Cu superlattice

Cu thickness (Å)

MR

rat

io (

%)

Mosca et al.: JMMM94 (91) L1

非結合系の GMR

• ソフト磁性体とハード磁性体との３層構造

M

MR

H (Oe)

自由 NiFe

Cu

Co

Shinjo et al.: JPSJ 59 (90) 3061

固定

スピンバルブ• NiFe(free)/Cu/NiF

e(pinned)/AF(FeMn) の非結合型サンドイッチ構造

交換バイアス

NiFe free

Cu

NiFe pinned

AF layer (e.g. FeMn)

最近は SAF に置き換え

• 強磁性体 (FM)/ 絶縁体 (I)/ 強磁性体 (FM) 構造• M. Julliere: Phys. Lett. 54A, 225 (1975)• S. Maekawa and V.Gafvert: IEEE Trans Magn. MAG-1

8, 707 (1982) • Y.Suezawa and Y.Gondo: Proc. ISPMM., Sendai, 1987

(World Scientific, 1987) 　 p.303 • J.C.Slonchevsky: Phys. Rev. B39, 6995 (1989) • T. Miyazaki, N. Tezuka: JMMM 109, 79 (1995)

voltage

スピン依存トンネル効果とトンネル磁気抵抗効果（ TMR ）

FM1

FM2

insulator

current

current

FM1 I FM2

TMR デバイス• 絶縁体の作製技術

が鍵を握っている。→最近大幅に改善

•TMR ratio as large as 45% was reported. (Parkin: Intermag 99) •Bias dependence of TMR has been much improved by double tunnel junction. (Inomata: JJAP 36, L1380 (1997))

TMR を用いた MRAM

• ビット線とワード線でアクセス

• 固定層に電流の作る磁界で記録

• トンネル磁気抵抗効果で読出し

• 構造がシンプル

MRAM の回路図

• 鹿野他：第１２６回日本応用磁気学会研究会資料 p.3-10

MRAM と他のメモリとの比較SRAMSRAM DRADRA

MMFlasFlashh

FRAMFRAM MRAMMRAM

読出速度読出速度 高速高速 中速中速 中速中速 中速中速 中高速中高速書込速度書込速度 高速高速 中速中速 低速低速 中速中速 中高速中高速不揮発性不揮発性 なしなし なしなし ありあり ありあり ありありリフレッリフレッシュシュ 不要不要 要要 不要不要 不要不要 不要不要セルサイセルサイズズ

大大 小小 小小 中中 小小

低電圧化低電圧化 可可 限限 不可不可 限限 可可