成果報告書詳細
管理番号20100000002271
タイトル平成19年度~平成21年度成果報告書 ナノテク・先端部材実用化研究開発/自己組織化ナノパターニング法によるナノ狭窄磁壁型HDD磁気ヘッド素子の開発
公開日2011/8/30
報告書年度2007 - 2009
委託先名国立大学法人東北大学 独立行政法人産業技術総合研究所 株式会社東芝
プロジェクト番号P05023
部署名ナノテクノロジー・材料技術開発部
和文要約 本研究開発では、2Tbit/inch^2超級の高密度磁気ストレージメモリ(HDD)の実現に必要な磁気ヘッドのブレークスルー技術を開発することを目的とし、国立大学法人東北大学、独立行政法人産業技術総合研究所、株式会社東芝の3研究機関が共同で、2Tbit/inch^2超級のHDD磁気ヘッド実現の最大の課題であった0.3Ωμm^2以下の面積抵抗で100%クラスのMR比を示す磁気抵抗素子の実現に向けて、新MR原理のなかで、低面積抵抗と高MR比の観点から最も磁気ヘッド素子化に優位であると判断したナノ狭窄磁壁型HDD磁気ヘッド素子を、自己組織化ナノパターニング法を用いて実現することに取り組んだ。その結果、実用化検討の段階に入るための関門であった20%を超えるMR比を0.2Ωμm^2の低面積抵抗で達成することに成功し、実用化開発の段階に入ることが出来た。本成果報告書は、これらの研究成果をまとめたもので、全編5章よりなる。第1章は、Ion Assisted Oxidation法を用いて形成したナノ接点(狭窄磁壁)について、(1)Conducting AFM (原子間力顕微鏡)により、導電チャネル(電流)のその場観察とチャネル抵抗計測に成功したこと、(2)単原子積層法により作製したFe0.5Co0.5 B2規則合金が、これまでの報告のなかで最も高いスピン伝導の分極率(β>0.8)を持ち、理論シミュレーションでは、100%級の磁気抵抗比が狙えること、(3)ハーフメタルとなることが報告なされているホイスラー合金を用いたナノ接点(狭窄磁壁)構造の形成を可能としたこと、などの自己組織化材料・ナノパターニング法に関する開発成果である。第2章は、ナノ狭窄磁壁型HDD素子の磁気抵抗原理の理論構築とそれを基にしたシミュレーションの開発で、(1)ナノメータサイズの接点に狭窄される磁壁構造の決定、(2)100%級の磁気抵抗比を実現するためのスピン伝導パラメータの導出、(3)磁気抵抗とスピントランスファートルク(Spin Transfer Torque;STT)に起因したノイズの特徴抽出に関する理論・シミュレーション開発の成果である。第3章は、テラビット級の微細素子で、特に顕著となるSTT起因ノイズを、ナノ狭窄磁壁型HDD磁気ヘッド素子について実験的に検証し、GMR磁気ヘッド素子やTMR磁気ヘッド素子にはないSTTノイズの抑制効果があることを見出したなどのナノ狭窄磁壁型HDD磁気ヘッド素子の設計上の利点に関するノイズ検証の成果である。第4章は、HDD磁気ヘッド素子設計指針導出のためのHDD磁気ヘッド素子の試作開発で、(1)自己組織化ナノパターニング法を用いて試作したHDD磁気ヘッド素子において、20%を超えるMR比を0.2Ωμm^2の低面積抵抗で確認したこと、(2)高温でポストアニーリングを施すことで、ナノ接点(狭窄磁壁)の純化により、MR比の向上と低抵抗化が図られること、(3)磁気ヘッド応用に必要な50Oe以下の層間磁界が得られること、など新磁気抵抗原理であるナノ狭窄磁壁のHDD磁気ヘッドへの実用化の可能性を示す素子試作開発の成果である。この成果は、新しい磁気抵抗原理であるナノ狭窄磁壁を用い、2Tbit/inch^2級のHDD磁気ヘッド素子の実現可能性を示したことが、高く評価され、国際会議において招待講演を行った。第5章は、今後の取り組みである。今後は、事業化に向けて、株式会社東芝とTDK株式会社の共同開発を軸に実用化開発が推進され、国立大学法人東北大学と独立行政法人産業技術総合研究所は、特定の課題に関する基礎研究の成果をもって実用化開発を支援する。
英文要約Title:Development of HDD head element with nano-confined domain wall by self-organized nano-patterning method (FY2007-FY2009) Final Report
Due to the progress of the electronic engineering such as super high-vision broadcasting systems, the demand for the higher areal density HDD becomes intensively increasing. In sight of this background, the purpose of this project is to develop a breakthrough technology of head device for an ultra high density storage-memory (HDD) with areal density of more than 2Tbit/in^2. 'Nano-Constriction Structured Spin Transportation Systems' such as Nano-Contact magnetoresistive (NCMR) devices with 'Nano-Confined Domain Wall’is regarded as one of the most promising next-generation storage/memory technologies for HDD head that could enable the realization of future nano-electronic devices. In this research project, a strong collaboration between three groups Tohoku University, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology and Toshiba Corporation will promote an establishment of a 100% of MR ratio (resistance area product of ≦0.3Ωμm^2) technology for the development of the Nano-Constriction Structured Spin Transportation System. We have succeeded to confirm more than 20% of MR ratio with RA of 0.2Ωμm^2 in NCMR devices which turns this device to practical development. The results of this project is summarized in this report which consists of 5 chapters. Chapter 1: Development of self-organized material and nano-patterning -process (1) Succeed in the in-situ observation a direct measurement of resistance of nano-channels fabricated by Ion Assisted Oxidation method by conducting AFM. (2) The bulk asymmetry coefficient of alternate monatomic layered (AML) [Fe/Co]n were found to be β>0.81. The estimated values of β were larger than ever reported at room temperature which shows good candidate for the realization of 100% of MR ratio expected from theoretical simulation. (3) Fabrication of nano-contact by half-metallic Heuslar alloy with high spin polarization. Chapter 2: Development of theoretical simulation system for NCMR devices (1) Decision of magnetic structure for confined domain wall. (2) Design for realization of 100% of MR ratio in NCMR devices. (3) Development of simulator for spin torque noise induced by spin transfer torque in NCMR devices. Chapter 3: Design for suppression of spin torque noise for NCMR devices. Chapter 4: Trial production of NCMR devices for HDD magnetic head. Invited talk: MMM Conference Nov. 2008, Joint MMM.INTERMAG Conference Jan. 2010. (1) Confirm more than 20% of MR ratio with a resistance area product (RA) of 0.2Ωμm^2 in self-assembling NCMR devices. (2) Development of higher post-annealing process for high MR ratio with low RA. (3) Low interlayer coupling in NCMR for practical development. Chapter 5: Future work for start an enterprise. Start an enterprise by the cooperative practical development by Toshiba Corporation and TDK Corporation and support by Tohoku University and National Institute of Advanced Industrial Science and Technology form selected issue of fundamental study for practical development.
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