(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された下部Ｔａ層と、前記下部Ｔａ層の上に形成されＲｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含む複合シード層と、
各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように形成された［Ｃｏ（コバルト）／Ｎｉ（ニッケル）］X 積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、
磁性層と、
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X 積層リファレンス層と前記磁性層との間に形成された金属スペーサ層と
を備えたスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項２】
前記金属スペーサ層は、前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X 積層リファレンス層および前記磁性層の各々と接している
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項３】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）またはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含む
請求項２に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項４】
キャップ層をさらに備え、
前記複合シード層、前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X 積層リファレンス層、銅からなる前記金属スペーサ層、前記磁性層および前記キャップ層を前記基板上に順次形成してなるボトム型スピンバルブ構造を有する
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項５】
キャップ層をさらに備え、
前記複合シード層、前記磁性層、銅からなる前記金属スペーサ層、［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層および前記キャップ層を前記基板上に順次形成してなるトップ型スピンバルブ構造を有する
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項６】
前記複合シード層において、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍである
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項７】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、ＡｕまたはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含み、
前記複合シード層が、［Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２］なる構造を有し、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ２の厚さが０．１ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１と前記金属層Ｍ２とは材料が異なる
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項８】
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層において、
各Ｃｏ層の厚さｔ１が０．０５ｎｍないし０．５ｎｍであり、
各Ｎｉ層の厚さｔ２が０．２ｎｍないし１．０ｎｍである
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項９】
前記磁性層が、
Ａｌ（アルミニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｓｅ（セレン）およびＳｎ（錫）のうちの少なくとも１つを含むＦｅＣｏ（鉄コバルト）合金、
Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＦｅＳｉ、Ｃｏ2ＭｎＡｌ、Ｃｏ2ＦｅＡｌ、Ｃｏ2ＭｎＧｅもしくはＣｏ2ＦｅＧｅを含むホイスラー（Heusler）合金、または
ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＡｌもしくはＣｏＦｅＧｅを含む半ホイスラー合金により構成されている
請求項１に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項１０】
前記金属スペーサ層は、１．５ｎｍないし１５ｎｍの厚さの銅層からなり、
前記キャップ層は、［Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ］なる積層構造を有する
請求項４に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項１１】
前記金属スペーサ層は、
下側Ｃｕスペーサ部分層と、
上側Ｃｕスペーサ部分層と、
前記下側Ｃｕスペーサ部分層と前記上側Ｃｕスペーサ部分層との間に形成され、電流制限パス（current confining paths）を有するＮＯＬ（nano-oxide layer）層と
を含む請求項４に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。
【請求項１２】
基板上に形成された下部Ｔａ層と、前記下部Ｔａ層の上に形成されＲｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含む複合シード層と、
各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように前記複合シード層上に形成された［Ｃｏ／Ｎｉ］X 積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X 積層リファレンス層の上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成された磁性層と、
前記磁性層の上に形成されたキャップ層と
を備えたスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１３】
前記トンネルバリア層は、前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層および前記磁性層の各々と接し、
前記キャップ層は前記磁性層と接している
請求項１２に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１４】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）またはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含む
請求項１３に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１５】
前記複合シード層において、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍである
請求項１２に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１６】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、ＡｕまたはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含み、
前記複合シード層が、［Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２］なる構造を有し、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ２の厚さが０．１ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１と前記金属層Ｍ２とは材料が異なる
請求項１２に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１７】
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層において、
各Ｃｏ層の厚さｔ１が０．０５ｎｍないし０．５ｎｍであり、
各Ｎｉ層の厚さｔ２が０．２ｎｍないし１．０ｎｍである
請求項１２に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１８】
前記磁性層が、
Ａｌ（アルミニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｓｅ（セレン）およびＳｎ（錫）のうちの少なくとも１つを含むＦｅＣｏ（鉄コバルト）合金、
Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＦｅＳｉ、Ｃｏ2ＭｎＡｌ、Ｃｏ2ＦｅＡｌ、Ｃｏ2ＭｎＧｅもしくはＣｏ2ＦｅＧｅを含むホイスラー（Heusler）合金、または
ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＡｌもしくはＣｏＦｅＧｅを含む半ホイスラー合金
により構成されている
請求項１２に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項１９】
前記キャップ層は、［Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ］なる積層構造を有し、
前記トンネルバリア層は、絶縁層として用いられる、ＡｌＯｘ、ＭｇＯ、ＴｉＯｘ、ＴｉＡｌＯｘ、ＭｇＺｎＯｘ、ＺｎＯｘもしくはその他の金属酸化物、または金属窒化物からなる
請求項１２に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。
【請求項２０】
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成された積層構造と
を備え、
前記積層構造が、
前記第１の電極に接する下部Ｔａ層と、前記下部Ｔａ層上の前記第１の電極とは反対側に形成されＲｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含む複合シード層と、
各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように形成され、スピントランスファー層として機能する［Ｃｏ（コバルト）／Ｎｉ（ニッケル）］X積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、
磁界生成層（オシレータ層）と前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層との間に形成された金属スペーサ層と、
前記金属スペーサ層上に形成されて前記磁界生成層（オシレータ層）として機能する磁性層と
を備えたマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２１】
前記金属スペーサ層は、前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層および前記磁性層の各々と接している
請求項２０に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２２】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、Ａｕ（金）またはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含む
請求項２１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２３】
前記複合シード層において、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍである
請求項２０に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２４】
前記第１の電極が、記録ヘッドにおける主磁極であり、
前記第２の電極が、前記記録ヘッドにおけるトレーリングシールドである
請求項２０に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２５】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、ＡｕまたはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含み、
前記複合シード層が、［Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２］なる構造を有し、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ２の厚さが０．１ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１と前記金属層Ｍ２とは材料が異なる
請求項２０に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２６】
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層において、
各Ｃｏ層の厚さｔ１が０．０５ｎｍないし０．５ｎｍであり、
各Ｎｉ層の厚さｔ２が０．２ｎｍないし１．０ｎｍである
請求項２０に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２７】
さらに、
前記磁界生成層の上の、前記金属スペーサ層とは反対側の面に形成され、前記第２の電極に接する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）層を備えた
請求項２０に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。
【請求項２８】
基板上に、下部Ｔａ層と、前記下部Ｔａ層の上に配置されるＲｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含むｆｃｃ［１１１］結晶構造の複合シード層を形成するステップと、
前記複合シード層の上に積層構造を形成するステップと
を含み、
前記積層構造が、
各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように形成された［Ｃｏ（コバルト）／Ｎｉ（ニッケル）］X積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、
所定の大きさのスピントルクが印加されたときに、磁化容易軸に沿った磁気モーメントが反対方向に変化するように構成された磁性層と、
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層と前記磁性層との間に形成された、金属スペーサ層またはトンネルバリア層と
を含むようにしたスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【請求項２９】
さらに、
２００°Ｃないし２８０°Ｃの温度で０．５時間ないし１０時間にわたってスピンバルブ構造の熱処理を行うステップを含む
請求項２８に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【請求項３０】
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層を、１５ｓｃｃｍを上回るレートのＡｒ（アルゴン）フローの下で、２００ワット未満の高周波（ＲＦ）パワーのマグネトロンスパッタリングプロセスにより形成する
請求項２８に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【請求項３１】
前記複合シード層において、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍである
請求項２８に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【請求項３２】
前記複合シード層が、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、ＡｕまたはＡｇ（銀）からなり前記金属層Ｍ１上に形成された金属層Ｍ２をさらに含み、
前記複合シード層が、［Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２］なる構造を有し、
前記下部Ｔａ層の厚さが０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１の厚さが１．０ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ２の厚さが０．１ｎｍないし１０ｎｍであり、
前記金属層Ｍ１と前記金属層Ｍ２とは材料が異なる
請求項２８に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【請求項３３】
前記［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層において、
各Ｃｏ層の厚さｔ１が０．０５ｎｍないし０．５ｎｍであり、
各Ｎｉ層の厚さｔ２が０．２ｎｍないし１．０ｎｍである
請求項２８に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【請求項３４】
前記磁性層を、
Ａｌ（アルミニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｓｅ（セレン）およびＳｎ（錫）のうちの少なくとも１つを含むＦｅＣｏ（鉄コバルト）合金、
Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＦｅＳｉ、Ｃｏ2ＭｎＡｌ、Ｃｏ2ＦｅＡｌ、Ｃｏ2ＭｎＧｅもしくはＣｏ2ＦｅＧｅを含むホイスラー（Heusler）合金、または
ＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＡｌもしくはＣｏＦｅＧｅを含む半ホイスラー合金
により構成する
請求項２８に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、膜面垂直通電型の巨大磁気抵抗（ＣＰＰ−ＧＭＲ）素子や磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子等の高性能なスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造およびその製造方法、ボトム型スピンバルブ構造、ならびにそのようなスピンバルブ構造を備えたマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンＣＭＯＳと磁気トンネル接合技術とを組み合わせた磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：Magnetoresistive Random Access Memory）は、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭおよびフラッシュメモリ等の現行の半導体メモリに対して大いに競争力を有する主要な新興技術として注目されている。同様に、C. Slonczewskiによる非特許文献１に記載のスピントランスファー（以下、スピントルクまたはＳＴＴ（Spin-Transfer Torque）とも称する。）磁化スイッチングは、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ等のギガビット規模のスピントロニック素子に応用できる可能性があることから、近年多大な関心を呼び起こしている。最近では、J-G. Zhuらによる非特許文献２において、スピントランスファー発振器と呼ばれる別のスピントロニック素子が発表されている。このスピントランスファー発振器は、スピントランスファー運動量効果（spin transfer momentum effect）を利用することにより、垂直記録構造において媒体保磁力を大幅に下回るヘッド磁界による記録を可能とするものである。
【０００３】
ＭＲＡＭおよびＳＴＴ−ＭＲＡＭは、いずれも、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）効果に基づく磁気トンネル接合素子（以下、ＭＴＪ素子という。）または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）効果に基づく巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子という。）を備えている。ＭＴＪ素子は、２つの強磁性層を薄い非磁性誘電体層により分離してなる積層構造を有し、ＧＭＲ素子は、リファレンス層とフリー層とを金属スペーサ層により分離してなる積層構造を有する。これらの素子は、一般に、第１の導電線等の下部電極と、第２の導電線である上部電極との間の、上部電極と下部電極とが交差する部分に形成されている。
ＭＴＪ素子は、例えば、シード層と、反強磁性（ＡＦＭ：Anti-Ferromagnetic）ピンニング層と、強磁性ピンド層と、薄いトンネルバリア層と、強磁性フリー層と、キャップ層とを下部電極の上に順次形成してなるボトム型のスピンバルブ構造を有する。ＡＦＭピンニング層は、ピンド層の磁気モーメントを一定方向に保持している。ピンド層としてのリファレンス層は、例えば、ｙ方向に磁化された隣りのＡＦＭピンニング層との交換結合によってｙ方向に固定された磁気モーメントを有し、フリー層は、ピンド層の磁気モーメントに対して平行または反平行な磁気モーメントを有している。トンネルバリア層は、導電電子の量子力学的トンネル効果による電流通過が起こるほど薄く形成されている。フリー層の磁気モーメントは外部磁場に応じて変化するようになっており、このフリー層とピンド層との磁気モーメントの相対角度によって、トンネル電流すなわちトンネル接合抵抗が決まる。センス電流が、上部電極から下部電極へとＭＴＪ素子の積層面に対して垂直な方向に流れると、フリー層およびピンド層の磁化方向が互いに平行な状態（「１」記憶状態）の場合には低い抵抗値が検出され、それらの磁化方向が互いに反平行状態（「０」記憶状態）にある場合には高い抵抗値が検出される。
【０００４】
膜面垂直通電（ＣＰＰ：Current Perpendicular to Plane）構造の場合、ＭＲＡＭセルに記憶されている情報の読み出しは、そのセルの内部を上から下に流れるセンス電流によってＭＴＪ素子の磁気的状態（抵抗レベル）を検出することにより行われる。ＭＲＡＭセルへの情報の書き込みは、磁気トンネル接合素子の上下を挟んで交差する二つの導電線としてのビット線およびワード線に電流を流して外部磁場を発生させ、フリー層の磁気的状態をしかるべき状態に変化させることにより行われる。一方の線（ビット線）は、ビットの磁化容易軸に対して平行な磁場を発生させ、他方の線（デジット線）は、その磁場と垂直な（困難軸）成分を発生させる。それらの線の交点には、ＭＴＪの反転閾値をちょうど超えるように設計されたピーク磁場が発生する。
【０００５】
高性能なＭＲＡＭのＭＴＪ素子は、高いトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）比ｄＲ／Ｒを有するという特徴をもつ。ここで、ＲはＭＴＪ素子の最小抵抗値であり、ｄＲはフリー層の磁気的状態を変化させることによる抵抗値の変化である。ＭＲＡＭを用いた一般的な用途では、ＴＭＲ比ｄＲ／Ｒおよび抵抗値均一性（Ｒｐ＿ｃｏｖ）が高く、反転磁界（Ｈｃ）および磁歪（λｓ）の値が低いことが望まれる。スピンＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）の場合、λｓおよびＨｃの値を高くすることによって異方性を向上させ、これにより高い熱的安定性を得る。また、磁化容易軸に沿った１μｍ未満の寸法と困難軸に沿った１μｍ未満の寸法とにより画定される面積をもつＭＴＪ素子では、面積抵抗ＲＡを比較的小さくする必要がある（約４０００［Ω・μｍ2］未満）。さもないと、ＭＴＪ素子の最小抵抗値Ｒが大きくなりすぎてしまい、そのＭＴＪ素子と接続されるトランジスタの抵抗値との整合性に支障をきたすおそれがある。
【０００６】
ＭＲＡＭセルの大きさが減少するに伴い、導電線を用いて発生させた外部磁界により磁気モーメントの方向を反転させることが困難となりつつある。超高密度なＭＲＡＭの製造を可能とするための一つの解決手段としては、半選択によるディスターブ（half-select disturb）の問題を解消し、しっかりした磁化反転構造を得ることが考えられる。このような背景から、スピントランスファー（スピントルク）素子と呼ばれる新型の素子が開発されている。スピントランスファートルクＭＲＡＭ（ＳＴＴ−ＭＲＡＭ）は、従来のＭＲＡＭと比較して、隣接するセル間での半選択の問題および書き込み時のディスターブを防ぐことができるという利点がある。スピントランスファー効果は、強磁性／スペーサ／強磁性を含む多層膜のスピン依存輸送特性によって生じる。スピン分極電流がＣＰＰ構造を有する磁性多層膜を貫くとき、強磁性層に入る電子のスピン角運動量は、強磁性層と非磁性スペーサとの間の界面近傍において、その強磁性層の磁気モーメントと相互に作用し合う。この相互作用を通じて、電子はその角運動量の一部を強磁性層に移す。その結果、スピン分極電流の電流密度が十分に高く、かつ多層膜の寸法が小さければ、スピン分極電流が強磁性層の磁化方向を反転させることができる。ＳＴＴ−ＭＲＡＭと従来のＭＲＡＭとの相違点は書き込み動作のみにあり、読み出しのメカニズムは同じである。
【０００７】
図１ａは、従来のＳＴＴ−ＭＲＡＭ素子のメモリセルを示す断面図である。図１ａに示すＳＴＴ−ＭＲＡＭ構造１は、Ｐ型半導体基板２の上に形成されたゲート５と、ソース３と、ドレイン４と、ワード線（ＷＬ：Word Line）６と、下部電極（ＢＥ：Bottom Electrode）７と、ビット線（ＢＬ：Bit Line）９とを有している。また、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ構造１は、ビット線９と下部電極７との間に形成された磁気トンネル接合素子８と、下部電極７をドレイン４に接続するための導電柱１０とを有している。
【０００８】
垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）を有する材料は、磁気記録用途および光磁気記録用途において特に重要な要素である。垂直磁気異方性を有するスピントロニック素子は、熱的安定性という要求を満たすだけではなくセル形状についてアスペクト比の制限がない点で、面内異方性に基づくＭＲＡＭ素子と比較して有利である。したがって、垂直磁気異方性に基づくスピンバルブ構造は、将来的なＭＲＡＭの用途や他のスピントロニック素子のための主要な課題の一つである高記録密度化に必要なサイズ縮小を可能にするものである。
【０００９】
垂直磁気異方性を示す材料としては、例えばＣｏＰｔ，ＣｏＰｔ−ＳｉＯ2，Ｔｂ（Ｆｅ）Ｃｏ，およびＦｅＰｔが挙げられ、多くの文献に記載されている。しかしながら、非特許文献に記載されている材料を含め、これまでの文献に記載の材料は、少なくとも一つの欠点を有している。具体的には、スピンバルブ構造において垂直磁気異方性の特性を得るための要件として、過大な加熱処理は不要であることが好ましい。しかしながら、ＦｅＰｔやＴｂ（Ｆｅ）Ｃｏの場合、十分に高い垂直磁気異方性を得るには高温による熱処理が必要であり、高温によって特定の構成要素が損傷してしまうため、デバイス集積の観点からふさわしくない。ＣｏＰｔやその合金（例えば、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＰｔ−ＳｉＯ2）は、ＰｔおよびＣｒが強力なスピン消極材料であり、スピンバルブ構造に用いた場合にスピントロニック素子の振幅を著しく抑制してしまうので、望ましくない。以上から、例えばＣｏ／Ｘ（Ｘは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ａｕ，Ｎｉ，Ｉｒ等である）を用いた新規な磁性積層構造を用いることが考えられる。上述したように、Ｐｔ，ＰｄおよびＩｒは、強力なスピン消極特性を有しているので、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／ＰｄおよびＣｏ／Ｉｒは、スピントロニック素子用の優れた垂直磁気異方性材料とはなりえない。また、Ｃｏ／Ｐｔ，Ｃｏ／ＰｄおよびＣｏ／Ｉｒを用いた構造では、シード層として、高価なＰｔ，ＰｄまたはＩｒを、概して極めて厚く形成する必要がある。さらに、Ａｕは高コストであるとともに、隣接する層に対して容易に相互拡散してしまうことから、垂直磁気異方性を得ることを目的とした場合、Ｃｏ／Ａｕは非実用的である。一方で、Ｃｏ／Ｎｉ積層構造は、垂直磁気異方性の候補材料としていくつかの利点を有している。具体的には、Ｃｏ，Ｎｉ，およびＣｏとＮｉとの界面から非常に高いスピン分極が得られること、Ｎｉ層を挿入することによりロバスト性が得られ、安定性が高まること、１テスラという非常に高い飽和磁化、すなわち他のＣｏ／Ｍの組み合わせ（Ｍは金属である）を用いた場合と比較して約２倍以上の非常に高い飽和磁化が得られること、安価であること、が利点として挙げられる。
【００１０】
垂直磁気異方性材料は、非特許文献２に記載のマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ：Microwave Assisted Magnetic Recording）への適用も検討されている。非特許文献２は、垂直記録構造において媒体保磁力を大幅に下回るヘッド磁界による記録を行うためのメカニズムを提案するものである。図１ｂは、非特許文献２に基づき作図した、交流磁界アシスト垂直ヘッド構造を有するＭＡＭＲ記録ヘッドを示す模式図である。図中、符号１９で示す上側の枠部は、マイクロ波周波数領域の局部交流磁界を発生させるための垂直スピントルク駆動型発振器を表している。この垂直スピントルク駆動型発振器は、下部電極１１ａと、上部電極１１ｂと、膜面と垂直に磁化したリファレンス層（スピントランスファー層）１２と、金属スペーサ層１３と、発振積層構造１４とを有している。発振積層構造１４は、磁界生成層１４ａと、磁化容易軸１４ｃを有する垂直異方性層１４ｂとを含む。なお、図１ｂの下側では、枠部１９で示す垂直スピントルク駆動型発振器を９０度回転させて示している。この場合、垂直スピントルク駆動型発振器は、記録磁極１７とトレーリングシールド１８との間に位置している。ＭＡＭＲ記録ヘッドは、軟磁性下地層１５を有する磁気媒体１６の表面上を横切るように移動する。リファレンス層１２は、注入電流Ｉのスピン分極をもたらす。磁界生成層１４ａと垂直異方性層１４ｂとは、互いに強磁性交換結合している。マイクロ波アシスト磁気記録に関する技術が成熟するに伴い、リファレンス層１２および発振積層構造１４に用いる材料の改善が必要とされている。
【００１１】
これまで、Ｃｏ／Ｎｉ積層構造によって高い垂直磁気異方性を得るために、非特許文献２に記載のいくつかの試みがなされているが、その実例のいずれにおいても、垂直磁気異方性を得るには極めて厚い下地層を用いる必要がある。例えば、非特許文献３および非特許文献４では、膜厚が２００ｎｍのＡｕシード層を用いている。非特許文献５および非特許文献６では、５０ｎｍのＡｕ層と、５０ｎｍのＡｇ層とを有する複合シード層を用いている。非特許文献７には、１００ｎｍ厚のＣｕシード層が記載されている。非特許文献８には、５０ｎｍ厚のＴｉまたは５０ｎｍ厚のＣｕシード層を用い、１５０℃まで加熱処理を行うことが記載されている。非特許文献９には、１００ｎｍ厚のＣｕ層と、２０ｎｍ厚のＰｔ層と、１０ｎｍ厚のＣｕ層とを有する複合シード層が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】C. Slonczewski著、「Current driven excitation of magnetic multilayers」、J. Magn. Magn. Mater.、１９９６年、第１５９巻、Ｌ１−Ｌ７
【非特許文献２】J-G. Zhu等著、「Microwave Assisted Magnetic Recording」、IEEE Trans. on Magnetics、２００８年、第４４巻、第１号、ｐ１２５−１３１
【非特許文献３】G. Daalderop等著、「Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers」、Phys. Rev. Lett.、１９９２年、第６８巻、６８２
【非特許文献４】F. den Broeder等著、「Co/Ni multilayers with perpendicular magnetic anisotropy: Kerr effect and thermomagnetic writing」、Appl. Phys. Lett.、１９９２年、第６１巻、１６４８
【非特許文献５】V. Naik等著、「Effect of (111) texture on the perpendicular magnetic anisotropy of Co/Ni multilayers」、J. Appl. Phys.、１９９８年、第８４巻、３２７３
【非特許文献６】Y. Zhang等著、「Mangetic and magneto-optic properties of sputtered Co/Ni multilayers」、J. Appl. Phys.、１９９４年、第７５巻、６４９５
【非特許文献７】Jaeyong Lee等著、「Perpendicular magnetic anisotropy of the epitaxial fcc Co/60-Angstrom-Ni/Cu (001) system」、Phys. Rev. B、１９９７年、第５７巻、Ｒ５７２８
【非特許文献８】P. Bloemen等著、「Magnetic anisotropies in Co/Ni (111) multilayers」、J. Appl. Phys.、１９９２年、第７２巻、４８４０
【非特許文献９】W. Chen等著、「Spin-torque driven ferromagnetic resonance of Co/Ni synthetic layers in spin valves」、Appl. Phys. Lett.、２００８年、第９２巻、０１２５０７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上述したシード層のいずれも、スピントロニック素子における、垂直磁気異方性を得るためのＣｏ／Ｎｉ積層構造に用いるには実用的ではない。一般に、最新の素子においては、最適な性能を得るため、スピンバルブの積層面と直交する方向のスペースには制限がある。シード層が約１０ｎｍよりも厚い場合、スピンバルブの厚さを最小限に保つためにはスピンバルブ中の他の層の厚さを薄くする必要があり、これによる素子の性能の低下が発生しやすいという不都合がある。
【００１４】
したがって、スピントロニック素子に適合し得るほどに十分に薄く、上部のＣｏ／Ｎｉ積層構造において高い垂直磁気異方性を発生させることが可能なシード層が求められている。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、スピン消極を引き起こすことなく、また、素子における他の構成要素を劣化させる加熱処理を必要とせずに、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造において十分な垂直磁気異方性を形成することが可能な、スピントロニック素子におけるスピンバルブ構造、ボトム型スピンバルブ構造、ならびにそのようなスピンバルブ構造を備えたマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の第２の目的は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造の形成に際して、Ｃｏ層およびＮｉ層の内部、ならびに、隣接するＣｏ層およびＮｉ層の界面に、ｆｃｃ［１１１］超格子（［１１１］配向面心立方超格子）を保つことが可能な、スピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の上記目的は、記録再生ヘッドや、ＭＲＡＭまたはマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）用のスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）等のスピントロニック素子の用途に用いられる以下にあげる各種スピンバルブ構造により達成される。
【００１８】
本発明におけるスピントロニック素子のスピンバルブ構造は、複合シード層と、各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように形成された［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、磁性層と、［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層と磁性層との間に形成された金属スペーサ層とを備えたものである。ここで、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xなる表記は、Ｃｏ層の上にＮｉ層を積層して得られる２層構造をＸ回繰り返して積層することを意味する。複合シード層は、基板上に形成された下部Ｔａ層と、この下部Ｔａ層の上に形成され、Ｒｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含む。このようなスピンバルブ構造としては、ボトム型のものとトップ型のものとがある。なお、上記の磁性層としては、高いスピン分極と小さい磁気減衰係数（magnetic damping coefficient）とを有する金属磁性層を用いることが好ましい。以下に記載する構造、素子および方法においても同様である。  
【００１９】
本発明におけるスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造は、複合シード層と、各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように前記複合シード層上に形成された［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層の上に形成されたトンネルバリア層と、トンネルバリア層上に形成された磁性層と、この磁性層の上に形成されたキャップ層とを備えたものである。複合シード層は、基板上に形成された下部Ｔａ層と、この下部Ｔａ層の上に形成され、Ｒｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含む。  
【００２０】
本発明におけるマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子は、第１の電極と、第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に形成された積層構造とを備え、この積層構造が、複合シード層と、各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように形成されスピントランスファー層として機能する［Ｃｏ（コバルト）／Ｎｉ（ニッケル）］X積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、磁界生成層（オシレータ層）と［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層との間に形成された金属スペーサ層と、金属スペーサ層上に形成されて磁界生成層（オシレータ層）として機能する磁性層とを備えたものである。複合シード層は、第１の電極に接する下部Ｔａ層と、下部Ｔａ層上の第１の電極とは反対側に形成されＲｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含む。  
【００２１】
本発明に係るスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法は、基板上に、下部Ｔａ層と、前記下部Ｔａ層の上に配置されるＲｕからなる金属層Ｍ１とを少なくとも含むｆｃｃ［１１１］結晶構造の複合シード層を形成するステップと、複合シード層の上に積層構造を形成するステップとを含むものである。上記の積層構造は、各Ｃｏ層の厚さｔ１よりも各Ｎｉ層の厚さｔ２が大きくなるように形成された［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層（Ｘ＝５ないし７０）と、所定の大きさのスピントルクが印加されたときに磁化容易軸に沿った磁気モーメントが反対方向に変化するように構成された磁性層と、［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層リファレンス層と磁性層との間に形成された金属スペーサ層またはトンネルバリア層とを含むように形成される。
【００２２】
本発明の実施においては、いくつかの態様が考えられる。その第１の態様として、例えばボトム型のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造が可能である。このボトム型スピンバルブ構造は、基板上に順次形成された、複合シード層と、[Ｃｏ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）]ｘ積層リファレンス層（ｘ＝５ないし７０）と、Ｃｕ等からなる金属スペーサ層と、フリー層と、キャップ層とを含む積層構造を有する。積層リファレンス層の各Ｃｏ層の好ましい厚さｔ１は０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍであり、各Ｎｉ層の好ましい厚さｔ２は０．２ｎｍ〜１．０ｎｍである。複合シード層は、［Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２］または［Ｔａ／Ｍ１］という積層構造を有することが好ましい。ここで、Ｍ１は、ｆｃｃ［１１１］結晶構造（［１１１］配向面心立方格子結晶構造）またはｈｃｐ［００１］結晶構造（［００１］配向六方最密構造）を有する金属であり、例えば、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｃｕ（銅）またはＡｕ（金）等が使用される。Ｍ２は、Ｃｕ、Ｔｉ（チタン）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｒｈ（ロジウム）、ＡｕまたはＡｇ（銀）である。Ｍ２がＰｄ、ＡｕまたはＡｇの場合には、コスト低減および／またはスピン消極効果を最小限に抑える観点から、Ｍ２層の厚さを最小限に保つようにすることが好ましい。複合シード層のＴａ層とＭ１層とは、より上側の層における［１１１］構造を向上させるために重要である。フリー層は、より高いスピン分極とより小さい磁気減衰係数とを有することが好ましく、例えば、ＦｅＣｏ（鉄コバルト）により構成可能であるが、Ａｌ（アルミニウム）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、Ｓｉ（シリコン）、Ｇａ（ガリウム）、Ｂ（ボロン）、Ｃ（炭素）、Ｓｅ（セレン）およびＳｎ（錫）等のうちの少なくとも１つを含むＦｅＣｏ合金により構成してもよい。あるいは、フリー層を、Ｃｏ2ＭｎＳｉ、Ｃｏ2ＦｅＳｉ、Ｃｏ2ＭｎＡｌ、Ｃｏ2ＦｅＡｌ、Ｃｏ2ＭｎＧｅもしくはＣｏ2ＦｅＧｅ等を含むホイスラー（Heusler）合金、またはＣｏＭｎＳｉ、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＡｌもしくはＣｏＦｅＧｅを含む半ホイスラー合金により構成するようにしてもよい。
【００２３】
第２の態様として、トップ型のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造が可能である。このトップ型スピンバルブ構造は、基板上に順次形成された、［Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ］，［Ｔａ／Ｒｕ］または［Ｔａ／Ｒｕ／Ａ］等の構造を有する複合シード層（Ａ＝Ｔｉ，Ｐｄ，Ｗ，Ｒｈ，ＡｕまたはＡｇ）と、フリー層と、Ｃｕ等からなる金属スペーサ層と、高い垂直磁気異方性特性を有する[Ｃｏ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）]ｘ積層リファレンス層と、キャップ層とを含む積層構造を有する。フリー層およびキャップ層は、例えば第１の態様の場合と同様の組成を有する。
【００２４】
第３の態様として、ＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造が可能である。このＣＣＰ−ＣＰＰ構造は、金属スペーサ層であるＣｕ層の上部と下部との間に電流制限パス（ＣＣＰ：Current Confining Path）を有するＮＯＬ（Nano-Oxide Layer）層を挿入することにより、上記の各スピンバルブ構造のＣｕスペーサ層を改変したものである。例えば、２つのＣｕスペーサ層の間にＡｌＯｘ等のアモルファス酸化物を形成して得られる［Ｃｕ／ＡｌＯｘ／Ｃｕ］という構造が可能である。ＣＣＰ−ＣＰＰ構造の場合、Ｃｕメタルパスが絶縁テンプレートによって制限されるので、スピンバルブのＭＲ比を大幅に高めることができる。
【００２５】
第４の態様として、ボトム型またはトップ型のＣＰＰ−ＴＭＲスピンバルブ構造が可能である。このＣＰＰ−ＴＭＲスピンバルブ構造は、第１または第２の態様のＣＰＰ−ＧＭＲ構造におけるＣｕスペーサ層を、ＡｌＯｘまたはＭｇＯ等からなるトンネルバリア層に置き換えることによって得ることができる。
【００２６】
第５の態様として、マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）に適用されるスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造への適用が可能である。このＳＴＯ構造は、例えば、２つの電極間に、複合シード層と、垂直磁気異方性を有する［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層と、金属スペーサ層と、磁界生成層と、垂直磁気異方性層とを順次含む積層構造を形成してなるものである。各層の積層面は、垂直磁気記録（ＰＭＲ）ヘッドの主磁極とトレーリングシールドとの間に、エアベアリング面と直交する方向を向くように配列される。複合シード層と、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層と、金属スペーサ層とは、例えば、上記第１の態様と同じ材料から構成される。磁界生成層は、例えばＣｏＦｅまたはＣｏＦｅ合金から構成される。垂直磁気異方性層は、磁界生成部と強磁性結合し、これによりＭＡＭＲ構造における発振積層構造を形成する。
【００２７】
以上の各態様では、積層構造を構成するすべての層を成膜したのち、パターニングおよびエッチングを行うことにより、平面形状が例えば楕円形、円形または多角形をなすスピンバルブ構造を形成する。
【００２８】
各態様の重要な特徴のひとつは、［１１１］配向構造を有する複合シード層を用いることにより、その上部に積層されるＣｏ／Ｎｉ積層リファレンス層にも［１１１］方向の配向性を発生させ、これにより垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を向上させた点にある。
また、他の特徴は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層における各Ｃｏ層および各Ｎｉ層を、非常に低いＲＦパワーと高圧の不活性ガスとを用いて成膜することにより、衝突イオンエネルギーを最小限に抑え、あるひとつの層を成膜する際に既存のＣｏ層またはＮｉ層に与える損傷を極力少なくした点にある。したがって、Ｃｏ層とＮｉ層との間の界面が保たれ、垂直磁気異方性特性が最大限に確保される。さらに、この方法によれば、極めて薄いシード層を用いた場合であっても、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層の垂直磁気異方性を十分確保することが可能となる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る、スピントロニック素子におけるスピンバルブ構造、ボトム型スピンバルブ構造、およびマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子によれば、スピン消極を引き起こすことなく、また、素子における他の構成要素を劣化させる加熱処理を必要とせずに、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造において十分な垂直磁気異方性を形成することが可能になる。
【００３０】
また、本発明に係る、スピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の製造方法によれば、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造の形成に際して、Ｃｏ層およびＮｉ層の内部、ならびに、隣接するＣｏ層およびＮｉ層の界面に、ｆｃｃ［１１１］超格子を保つことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１ａ】一般的なＳＴＴ−ＭＲＡＭ素子のメモリセルを示す断面図である。
【図１ｂ】交番磁界アシスト垂直ヘッド構造を有する従来のＭＡＭＲ記録ヘッドを示す模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲボトム型スピンバルブ構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲトップ型スピンバルブ構造を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るＣＣＰ−ＮＯＬ層を有するＣＣＰ−ＣＰＰ−ＧＭＲ用ボトム型スピンバルブ構造を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係るＣＰＰ−ＴＭＲボトム型スピンバルブ構造を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は、Ｃｕシード層の厚さがその上側にある［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層構造の垂直磁気異方性に及ぼす影響を示す磁化曲線図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ複合シード層におけるＣｕ層の厚さがその上側にある［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層構造の垂直磁気異方性に及ぼす影響を示す磁化曲線図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態において、上部の［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層構造の垂直磁気異方性を保ちつつ、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ複合シード層におけるＣｕ層の厚さを如何にして薄くし、または取り除くことができるかを示す磁化曲線図である。
【図９】本発明の一実施の形態に基づき形成されたＴａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ１０／［Ｃｏ（０．２）／Ｎｉ（０．５）］20／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という積層構造の垂直磁気異方性に対する、熱処理の効果を示す磁化曲線図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲボトム型スピンバルブ構造の垂直磁気異方性を示す磁化曲線図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲトップ型スピンバルブ構造の垂直磁気異方性を示す磁化曲線図であり、（ｂ）は、（ａ）における積層構造の磁性ＦｅＣｏＡｌフリー層を非磁性ＦｅＣｏＡｌ層に置き換えた点を除き（ａ）と同様の積層構造における垂直磁気異方性を示す磁化曲線図である。
【図１２ａ】本発明の第５の実施の形態に係るマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）用交番磁界生成器（ボトム型スピントランスファー発振器）の構造を示す断面図である。
【図１２ｂ】上記第５の実施の形態の変形例に係るマイクロ波アシスト磁気記録用交番磁界生成器（トップ型スピントランスファー発振器）の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の一実施の形態に係る、主磁極、ライトシールド、およびスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造を備えたマイクロ波アシスト磁気記録用のトップ型ＳＴＯ記録ヘッドが形成された、一体型記録再生ヘッドを示す断面図である。
【図１４】本発明の一実施の形態に係る、主磁極、ライトシールド、およびスピントランスファー発振器構造を備えたマイクロ波アシスト磁気記録用のボトム型ＳＴＯ記録ヘッドが形成された、一体型記録再生ヘッドを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
本発明の実施の形態に係るＣＰＰスピンバルブ構造は、垂直磁気異方性を有する［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層を備える。この積層リファレンス層の垂直磁気異方性は、下部Ｔａ層と、ｆｃｃ［１１１］結晶構造（［１１１］配向面心立方格子結晶構造）またはｈｃｐ［００１］結晶構造（［００１］配向六方最密構造）を有する上部金属層とを含む、薄い複合シード層によって十分なものとなっている。この構造によれば、ＭＡＭＲ素子およびＳＴＴ−ＭＲＡＭ素子等のスピントランスファー発振器をもつ素子や、他のスピントロニック素子の性能が向上する。また、本発明は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層を成膜する方法を含んでいる。この方法によれば、ＣｏとＮｉとの界面が十分に保たれ、薄いシード層を用いた場合であっても、所望のｆｃｃ［１１１］方向の配向性を形成することができる。なお、図面は一例であり、本発明の範囲を限定するためのものではない。
【００３３】
原理として、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造の磁気異方性は、Ｃｏ原子およびＮｉ原子が有する３ｄ電子と４ｓ電子とのスピン軌道相互作用により生じる。このスピン軌道相互作用は、［１１１］方向に配列している結晶軸に対して異方性をもつ軌道モーメントを発生させるとともに、軌道モーメントをもったスピンモーメントの配列をもたらす。［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造では、垂直磁気異方性を形成するために、ｆｃｃ［１１１］超格子を有していることが重要である。上述したように、従来技術に係る構造では、Ａｕ，Ａｕ／Ａｇ，Ｔｉ，ＣｕおよびＡｕ／Ｃｕ等からなる完全なｆｃｃ構造を有する厚いシード層によるアシスト作用によって、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造中に垂直磁気異方性が形成されている。上述の非特許文献３および非特許文献４によると、垂直磁気異方性効果は、最密充填されたＣｏ原子およびＮｉ原子の極薄層間に界面が存在することにより成り立っていると考えられる。ＣｏとＮｉとは価電子数が１つ違うだけであることから、ＣｏおよびＮｉの界面が存在することによって大きな磁気異方性が生じることになる。
【００３４】
本発明において、発明者らは、積層されたＣｏ層とＮｉ層との界面を保つことができると共に、それゆえに、より薄いシード層を必要とする、Ｃｏ層およびＮｉ層の成膜方法を見出した。また、本発明において、実施の形態で説明する［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ構造の積層数（ｘ）が、約５〜７０程度の十分な数に達すると、スピントロニック用途の高い垂直磁気異方性を発生させる十分な量のＣｏ価電子およびＮｉ価電子が、スピン軌道相互作用によって生じる。一つの態様においては、Ｔａ／Ｍ１（Ｍ１は、ｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する上部金属層であり、例えばＲｕ，ＣｕまたはＡｕ）と表される複合シード層を用いると、その上側にあるスピンバルブ積層膜における［１１１］構造が促進され、これにより積層リファレンス層の垂直磁気異方性が最適化されるという追加的な利点が得られる。
【００３５】
以下では、まず、本発明のスピンバルブ構造の各種実施の形態について説明し、次に、ＣｏとＮｉとの界面を保つことが可能な［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造の形成方法について説明する。
【００３６】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るボトム型スピンバルブ構造２０の断面構造を表すものである。本実施の形態のスピンバルブ構造２０は、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造を有している。基板２１は、例えば下部電極層である。基板２１の上には、本実施の形態における重要な特徴である複合シード層２２（個々の層は図示せず）が設けられている。複合シード層２２は、ｆｃｃ［１１１］格子をもち、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕという構造を有する。下部Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有し、基板２１に接している。中間Ｒｕ層は、Ｔａ層の上に形成され、約１．０ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有している。上部Ｃｕ層は、Ｒｕ層の上に形成され、０．１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有している。あるいは、例えば上部Ｃｕ層を取り除き、Ｔａ／Ｒｕという構造の複合シード層２２を用いてもよい。この場合、Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有し、Ｒｕ層は、１．０ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有している。必要に応じて、例えばＲｕ層を、ｆｃｃ［１１１］格子構造またはｈｃｐ［００１］格子構造を有する金属Ｍ１層に置き換えてもよい。
【００３７】
他の例として、上記３層構造を有する複合シード層２２における上部Ｃｕ層を他の金属Ｍ２層に置き換えるようにしてもよい。ここで、金属Ｍ２層は、例えばＴｉ（チタン），Ｐｄ（パラジウム），Ｗ（タングステン），Ｒｈ（ロジウム），Ａｕ（金），またはＡｇ（銀）を含み、０．１ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有するものである。この場合、複合シード層２２は、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２という構造（Ｍ１とＭ２とは互いに異なる）をもつことになる。いずれの場合においても、複合シード層２２が、下部Ｔａ層と、このＴａ層の上に形成され、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］という結晶配向を有する少なくとも一つの金属層とを含むことにより、ボトム型スピンバルブ構造２０を構成する他の層における［１１１］結晶構造を向上させ、より上層の［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造における垂直磁気異方性の大きさを増大させる、ということが重要である。他の例として、複合シード層２２が、下部Ｔａ層の他に、例えばＮｉＣｒ層を含み、さらに、Ｔａ層およびＲｕ層のうち少なくとも一つの層を含むようにしてもよい。
【００３８】
積層リファレンス層２３は、複合シード層２２の上に形成され、好ましくは［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層構造を有している。ここで、ｘは、Ｍｓ×ｔ（飽和磁束密度×厚さ）の要件から定まる約５〜７０の自然数である。積層リファレンス層２３における各Ｃｏ層の厚さは、０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍであり、好ましくは０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍである。積層リファレンス層２３の各Ｎｉ層の厚さは、０．２ｎｍ〜１．０ｎｍであり、好ましくは０．３５ｎｍ〜０．８ｎｍである。Ｎｉ層の厚さｔ２は、好ましくはＣｏ層の厚さｔ１よりも大きく、より好ましくはｔ１×２程度の厚さに設定する。隣接するＣｏ層とＮｉ層との間のスピン軌道相互作用を最適化するためである。Ｃｏ層およびＮｉ層は、このＣｏ層とＮｉ層との間の界面を保つ後述の方法によって成膜される。例えば、Ｃｏ層の厚さｔ１が約０．２ｎｍ以下である場合、Ｃｏ層は最密充填層として考えることができ、この場合、必ずしも［１１１］結晶配向を有しているとは限らない。
【００３９】
金属スペーサ層２４は、積層リファレンス層２３の上に形成され、１．５ｎｍ〜１５ｎｍの厚さを有し、好ましくは２ｎｍ〜６ｎｍの厚さを有している。金属スペーサ層２４は、Ｃｕ等の非磁性体から構成され、積層リファレンス層２３とフリー層２５との間の磁気結合を防止可能なほどの十分な厚さを有していることが好ましい。また、金属スペーサ層２４がＣｕスペーサ層の場合、再生動作または記録動作時に際して電流がボトム型スピンバルブ構造２０の各層２２〜２６に対して垂直な方向に通過することを可能とする優れた導電率を有するので、有利である。
【００４０】
Ｃｕスペーサ層（金属スペーサ層２４）の上には、フリー層２５が設けられている。このフリー層２５は、スピントロニック素子におけるスピントランスファー磁化反転を可能とするために、高いスピン分極および小さい磁気減衰係数（magnetic damping coefficient）を有していることが好ましい。フリー層２５は、ＦｅＣｏ（鉄コバルト）より構成され、またはＡｌ（アルミニウム），Ｇｅ（ゲルマニウム），Ｓｉ（シリコン），Ｇａ（ガリウム），Ｂ（ボロン），Ｃ（炭素），Ｓｅ（セレン）およびＳｎ（錫）から選ばれる少なくとも一つの原子を含むＦｅＣｏ合金より構成された、磁性（強磁性）層である。フリー層２５は、十分な大きさのスピントルクが印加された際に反対方向に反転する、磁化容易軸方向に沿った磁気モーメントを有している。なお、フリー層２５を、例えばＣｏ2ＭｎＳｉ，Ｃｏ2ＦｅＳｉ，Ｃｏ2ＭｎＡｌ，Ｃｏ2ＦｅＡｌ，Ｃｏ2ＭｎＧｅ，およびＣｏ2ＦｅＧｅ等のホイスラー合金、またはＣｏＭｎＳｉ，ＣｏＦｅＳｉ，ＣｏＭｎＡｌ，またはＣｏＦｅＧｅ等の半ホイスラー合金から構成するようにしてもよい。
【００４１】
後述するマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）のスピントランスファー発振器素子に関する実施の形態（第５の実施の形態）の場合、例えばフリー層２５は、オシレータ層に相当し、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘを有する積層リファレンス層２３は、スピント注入層に相当する。
【００４２】
複合キャップ層２６は、ボトム型スピンバルブ構造２０の最上層として設けられている。キャップ層２６は、例えばＲｕ／Ｔａ／Ｒｕ構造を有し、上部のＲｕ層は、酸化防止のためと、その上に形成される上部電極（図示せず）に対して優れた導通を図るために用いられる。薄いＲｕ層をキャップ層２６として用いた場合、Ｒｕ（ルテニウム）の強力なスピン散乱効果に起因して、臨界電流密度（Ｊｃ）が著しく低下する。臨界電流密度は、９０ｎｍ技術ノード（90 nm technology node）以降のスピントランスファー磁化反転に対しても適合するように、約１０6Ａ／ｃｍ2であることが好ましい。臨界電流密度の値がこれよりも高いと、本発明の第４の実施の形態で用いられている、ＡｌＯｘやＭｇＯ等の薄いトンネルバリア層を破壊する可能性もある。Ｔａ層は、例えば、後続の処理工程においてエッチングのストップ層として機能すべく設けられている。必要に応じて、当該技術分野で用いられる他の材料を、キャップ層２６に用いてもよい。
【００４３】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＰＰ−ＧＭＲトップ型スピンバルブ構造３０の断面構造を表すものである。本実施の形態のトップ型スピンバルブ構造３０は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層２３と、フリー層２５との配置位置が入れ替わっている点を除き、上述した第１の実施の形態のボトム型スピンバルブ構造２０と同様の複数の層を有している。すなわち、フリー層２５は、複合シード層２２に接しており、積層リファレンス層２３は、Ｃｕスペーサ層（金属スペーサ層２４）の上に形成されている。この場合、複合シード層２２と積層リファレンス層２３とは互いに直接接触していないものの、［１１１］結晶配向を有する薄い複合シード層２２は、その上部のすべての層において［１１１］格子を形成させることから、この複合シード層２２は、積層リファレンス層２３の垂直磁気異方性を完全に形成する上で依然として重要である。
【００４４】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係るＣＣＰ−ＮＯＬ層を有するＣＰＰ−ＧＭＲボトム型スピンバルブ構造４０の断面構造を表すものである。本実施の形態のボトム型スピンバルブ構造４０は、電流パス制限（ＣＣＰ：Confining Current Path）型のＣＰＰ−ＧＭＲセンサと呼ばれるＣＰＰ−ＧＭＲ構造を有している。この構造において、Ｃｕスペーサ層を流れる電流は、分離メタルパス（segregating metal path）と酸化物とを有する構造によって制限される。このＣＣＰ−ＣＰＰ構造では、Ｃｕメタルパスが、絶縁テンプレートすなわちナノオキサイド層（ＮＯＬ：Nano-Oxide Layer）によって制限されるため、ＭＲ比を飛躍的に高めることができる。
このように、本実施の形態のボトム型スピンバルブ構造４０は、Ｃｕスペーサ層（金属スペーサ層２４）が、ナノオキサイド層２７によって下部Ｃｕ層２４ａと上部Ｃｕ層２４ｂの２つの部分に分離されていること以外は、第１の実施の形態のボトム型スピンバルブ構造２０と同様である。ナノオキサイド層２７は、例えば、下部Ｃｕ層２４ａの上にＡｌＣｕ層を成膜したのち、プレ・イオン処理（ＰＩＴ：Pre-Ion Treatment）およびイオンアシスト酸化（ＩＡＯ：Ion-Assisted Oxidation）処理を行うことにより、ＡｌＣｕ層を、内部に分離Ｃｕ導電路（電流制限パス）を有するＡｌＯｘマトリクスへと変化させることにより形成可能である。その後、このナノオキサイド（ＣＣＰ）層２７の上に、上部Ｃｕ層２４ｂを成膜する。ボトム型スピンバルブ構造４０の他の層２２，２３，２５および２６は、上記第１の実施の形態（図２）のボトム型スピンバルブ構造２０における各相当部分と同様である。
【００４５】
図５は、本発明の第４の実施の形態に係るＣＰＰ−ＴＭＲボトム型スピンバルブ構造５０の断面構造を表すものである。本実施の形態では、上記第１の実施の形態（図２）におけるＣｕスペーサ層（金属スペーサ層２４）の代わりにトンネルバリア層２８が設けられている。トンネルバリア層２８は、例えば、ＡｌＯｘ，ＭｇＯ，ＴｉＯｘ，ＴｉＡｌＯｘ，ＭｇＺｎＯｘもしくはＺｎＯｘ、または、絶縁体層として一般的に用いられる他の金属酸化物もしくは金属窒化物から構成されている。トンネルバリア層２８がＭｇＯの場合、好ましくは、第１のＭｇ層を積層リファレンス層２３の上に成膜したのち、自然酸化（ＮＯＸ：Natural Oxidation）法またはラジカル酸化（ＲＯＸ：Radical Oxidation）法を用いて第１のＭｇ層を酸化させ、これにより得られたＭｇＯ層の上に第２のＭｇ層を成膜することにより形成する。このＭｇＯ層の内部の酸素は、後続の熱処理に際して第２のＭｇ層へと拡散し、これにより、ほぼ均一なＭｇＯを有するトンネルバリア層２８が形成される。なお、ＲＯＸ法を用いた場合ではＲＡ値が高くなり易い。そのため、約２０［Ω・μｍ2］未満の目標値のＲＡが所望とされる場合、ＲＯＸ法よりもＮＯＸ法を用いることが好ましい。ＮＯＸ処理は、例えば、スパッタ装置の酸素チャンバ内で、１［ｔｏｒｒ］（≒１３３［Ｐａ］）の圧力の酸素雰囲気下、０．１から１．０標準リットル／分（ｓｌｍ：standard liters per minute）の酸素流量により、約１００秒から２００秒間行い、第１のＭｇ層を酸化させる。ボトム型スピンバルブ構造５０の他の層２２，２３，２５および２６は、上記第１の実施の形態（図２）のボトム型スピンバルブ構造２０における各相当部分と同様である。
【００４６】
図１２ａは、本発明の第５の実施の形態に係るＭＡＭＲ構造の要部断面を表すものである。本実施の形態では、例えば、第１電極６１の上に、複合シード層２２と、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層２３と、金属スペーサ層６２と、磁界生成層６３と、垂直磁気異方性層６４とが順次形成され、ボトム型スピントランスファー発振器（ＳＴＯ：Spin Transfer Oscillator）構造６０を構成している。第２電極６５は、垂直磁気異方性層６４の上面に接している。上述したように、積層リファレンス層２３は、ＭＡＭＲ素子の場合ではスピントランスファー層として機能する。金属スペーサ層６２は、例えば銅（Ｃｕ）から構成され、または、当業者に周知の高導電率を有する他の金属もしくは合金から構成される。磁界生成層６３は、磁性（強磁性）層であり、上述の実施の形態のフリー層２５と同様に、スピントランスファー磁化反転を可能とするため、高いスピン分極および小さい磁気減衰係数を有する、例えばＦｅＣｏまたはその合金から構成されている。磁界生成層６３は、所定の大きさのスピントルクが印加された際に、磁化容易軸（図示せず）に沿った一方向から反対方向へと磁気モーメントが反転可能なオシレータ層として機能する。垂直磁気異方性層６４は、磁界生成層６３と強磁性結合している。本発明の実施の形態の重要な特徴は、Ｔａ／Ｍ１構造またはＴａ／Ｍ１／Ｍ２構造を有する複合シード層２２が、積層リファレンス層２３の［１１１］格子構造および垂直磁気異方性を向上させる点にあり、さらに、積層リファレンス層２３が、その内部にＣｏ−Ｎｉ界面が保たれるように形成される点にある。なお、本実施の形態（図１２ａ）ではボトム型ＳＴＯ構造６０の例を示したが、磁界生成層６３と積層リファレンス層２３の位置を入れ替えて、図１２ｂに示すようなトップ型ＳＴＯ構造７０として構成することも可能である。
【００４７】
図１３は、本発明の一実施の形態に係るＭＡＭＲ用スピントロニック素子（ＳＴＯ構造）を備えた一体型記録再生ヘッドの断面構造を表すものである。この一体型記録再生ヘッドは、トップ型ＳＴＯ記録ヘッド８０と、再生ヘッド７５とを備えている。
再生ヘッド７５は、上部シールド７４ａおよび下部シールド７４ｂと、これらのシールド７４ａ，７４ｂ間に設けられたセンサ７３とを有している。
トップ型ＳＴＯ記録ヘッド８０は、再生ヘッド７５と対向する側に位置する主磁極７７と、再生ヘッド７５とは反対側に位置するトレーリングシールド７６と、主磁極７７内に磁束を発生させるためのコイル７８と、トップ型ＳＴＯ構造７０と、このトップ型ＳＴＯ構造７０に電流を注入するための配線（図示せず）とを備えている。トップ型ＳＴＯ構造７０は、図１２ｂに示したものと同様の構造を有し、第１電極６１と第２電極６５との間に、複合シード層２２と、垂直磁気異方性層６４と、磁界生成層６３と、金属スペーサ層６２と、積層リファレンス層２３とを順に備えている。なお、第１電極６１として主磁極７７を利用し、第２電極６２としてトレーリングシールド７６を利用してもよい。この場合には、上記した、トップ型ＳＴＯ構造７０へ電流を注入するための配線もまた、主磁極７７およびトレーリングシールド７６が兼ねることとなる。
トップ型ＳＴＯ構造７０は、主磁極７７とトレーリングシールド７６との間に、積層リファレンス層２３の磁化方向が媒体基板７１の移動方向Ｍと同じ方向となるように配置されている。オシレータ層としての磁界生成層６３は、積層リファレンス層２３よりも第１電極側（主磁極７７に近い側）に形成され、回転自在な磁化方向を有している。図１３では、磁界生成層６３を、２つの矢印および円状の点線を有する層として表している。この一体型記録再生ヘッドは、媒体トラックに沿って記録ビット７２が形成された媒体基板７１の上方に、エアベアリング面を媒体基板７１に向けて支持され、矢印Ｍの方向に移動する媒体基板７１に対して相対移動するようになっている。
このような構成のトップ型ＳＴＯ記録ヘッド８０では、以下のようにして書き込み動作が行われる。ここでは、トレーリングシールド７６および主磁極７７が、トップ型ＳＴＯ構造７０に紙面向かって右から左に電流を印加するための上下電極（第１電極および第２電極）を兼ねているものとして説明する。媒体基板７１に対して記録ビット７２を書き込む際には、コイル７８に流れる電流によって主磁極７７の先端部（エアベアリング面）から書き込み磁界が発せられると同時に、トレーリングシールド７６と主磁極７７の間に磁界が発生する。このため、上記の印加電流によるスピントルク作用とあいまって、磁界生成層６３の磁化の方向が才差運動を起こし、それにより高周波磁界を発生する。この高周波磁界が主磁極７７からの書き込み磁界と重畳する。これにより、実効的な書き込み磁界を大きくするアシスト効果を得ることができる。
【００４８】
図１４は、本発明の他の実施の形態に係るＭＡＭＲ用スピントロニック素子（ＳＴＯ構造）を備えた一体型記録再生ヘッドの断面構造を表すものである。この一体型記録再生ヘッドは、ボトム型ＳＴＯ記録ヘッド９０と、再生ヘッド７５とを備えている。
ボトム型ＳＴＯ記録ヘッド９０は、図１３におけるトップ型ＳＴＯ構造７０の代わりにボトム型ＳＴＯ構造６０を備えている。ボトム型ＳＴＯ構造６０は、図１２ａに示したものと同様の構造を有し、複合シード層２２と、積層リファレンス層２３と、金属スペーサ層６２と、磁界生成層６３と、垂直磁気異方性層６４とを備えている。ボトム型ＳＴＯ構造６０は、主磁極７７とトレーリングシールド７６との間に、積層リファレンス層２３の磁化方向が媒体基板７１の移動方向Ｍと同じ方向となるように配置されている。オシレータ層としての磁界生成層６３は、積層リファレンス層２３よりも第２電極（トレーリングシールド７６）に近い側に形成され、回転自在な磁化方向を有している。図１４では、磁界生成層６３を、２つの矢印および円状の点線を有する層として表している。ボトム型ＳＴＯ構造６０の上面は、再生ヘッド７５とは反対側のトレーリングシールド７６の側面と隣接し、ボトム型ＳＴＯ構造６０の底面は、再生ヘッド７５に対向する主磁極７７の側面と隣接している。なお、主磁極７７を、図１２ａに示した第１電極６１として利用し、トレーリングシールド７６を第２電極６２として利用してもよい。
なお、図１４に示したボトム型ＳＴＯ記録ヘッド９０の書き込み動作は、紙面に向かって左から右に電流を流すことを除き、図１３に示したトップ型ＳＴＯ記録ヘッド８０の動作と同じである。
【００４９】
次に、上述したスピンバルブ構造の製造方法について説明する。
ＣＰＰスピンバルブ積層構造の各層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。スパッタ装置としては、各々が５つのターゲットを有する３つの物理蒸着（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）チャンバと、酸素チャンバと、スパッタエッチングチャンバとを有する装置が好ましく、例えばアネルバ社製のＣ−７１００等が利用可能である。複数のＰＶＤチャンバのうちの少なくとも一つは同時スパッタリングが可能であることが好ましい。スパッタ成膜は、例えば、アルゴンスパッタガスを用いて金属または合金からなるターゲットをスパッタして、超真空下で基板上に成膜することにより行う。スパッタ装置を一度にポンプダウンした後に、上述したＣＰＰスピンバルブ積層構造の各層を形成することにより、スループットを向上させるようにしてもよい。
【００５０】
本実施の形態の製造方法は、ＣＰＰスピンバルブ構造のすべての層を成膜した後の熱処理工程も含んでいる。上記実施の形態のスピンバルブ構造２０，３０，４０，５０，６０および７０に対して、例えば２００℃〜２８０℃の範囲で０．５時間〜１０時間にわたる熱処理を行う。なお、複合シード層２２における［１１１］構造と、積層リファレンス層２３におけるＣｏとＮｉとのスピン軌道相互作用とに起因して垂直磁気異方性が形成されるため、熱処理に際しては磁場を印加する必要はない。
【００５１】
本発明の実施の形態の重要な特徴は、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層２３の成膜方法にある。具体的には、低い高周波（ＲＦ）パワーと高圧のＡｒ（アルゴン）ガスとを用いて、各Ｃｏ層または各Ｎｉ層が成膜された基板の損傷を防止することにより、結果として得られるＣｏとＮｉとの界面を保ち、その垂直磁気異方性特性を向上させている。すなわち、後続のＣｏ層およびＮｉ層がスパッタ成膜により成膜される際に、直近に成膜されたＣｏ層およびＮｉ層の表面に対して作用するイオンエネルギーを最小限に抑制することにより、スパッタリングの際のイオン衝突による損傷を軽減する。一実施の形態では、１５ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）を上回るレートのアルゴンフローの下で、２００ワット未満の高周波パワーを用いて、積層リファレンス層２３の各Ｃｏ層および各Ｎｉ層を、マグネトロンスパッタチャンバ内で成膜する。各Ｃｏ層および各Ｎｉ層の成膜に必要な時間は１分未満であり、［Ｃｏ／Ｎｉ］20構造を形成するために必要な合計時間は、約１時間未満である。
【００５２】
上述した実施の形態のスピンバルブ構造２０，３０，４０，５０，６０および７０のすべての層を形成したのち、周知のフォトレジストパターニングおよび反応性イオンによるエッチング転写を行い、スピンバルブ構造２０，３０，４０，５０，６０および７０を、ｚ軸方向から見て楕円形、円形または他の形状にパターニングする。次に、スピンバルブ構造がパターニングにより除去されて露出した基板２１（または第１電極６１）の上に絶縁層（図示せず）を成膜したのち、この絶縁層がキャップ層２６（または垂直磁気異方性層６４）と同一平面となるように、絶縁層を平坦化する。そして、例えば、最上部の垂直磁気異方性層６４（またはキャップ層２６）の上に、第２電極６５等の上部電極を形成する。
【００５３】
次に、本発明の実施の形態に関する実施例について説明する。
スピンバルブ積層構造のシード層の所要厚さを最小限に抑える場合において、［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層を形成することによる効果を示すために、以下のような比較実験を行った。
【実施例１】
【００５４】
本実施例１では、試料振動型磁力計（ＶＳＭ：Vibrating Sample Magnometer）を用いて磁化曲線（ＭＨ曲線）から垂直磁気異方性の値を得るために、Ｃｕシード層と、［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層リファレンス層と、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕキャップ層とを有する部分的なスピンバルブ積層構造を作製した。積層リファレンス層の各Ｃｏ層の厚さは０．２ｎｍであり、各Ｎｉ層の厚さは０．４ｎｍである。また、キャップ層のＲｕ層は１．０ｎｍ厚、Ｔａ層は４ｎｍ厚、Ｒｕ層は３ｎｍ厚である。Ｃｕシード層の厚さは、図６（ａ）では１００ｎｍ、図６（ｂ）では５０ｎｍ、図６（ｃ）では２０ｎｍ、図６（ｄ）では１０ｎｍと減少させている。図６（ａ）〜（ｄ）の各々において、上側のプロットは、各磁界の（積層面に対する）水平成分を表し、下側のプロットは、垂直磁気異方性成分を表している。ここで、図６（ａ）〜（ｄ）の下側のプロットにおいて、ほぼ垂直に近い部分同士の間隔ｓ1ないしｓ4は、垂直磁気異方性の大きさに比例している。図６に示すように、Ｃｕシード層の厚さが薄くなるにしたがって垂直磁気異方性はやや低下するものの、１０ｎｍほどの薄さのＣｕシード層を用いた場合であっても、垂直磁気異方性を確保することができることが分かる。また、トルク測定の結果から、１０ｎｍ厚のＣｕシード層を有する各［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層構造の異方性磁界Ｈｋは、１５０００［エルステッド（Ｏｅ）］（＝１５０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］）よりも高いものと推定される。
【実施例２】
【００５５】
実施例２では、上部のＣｕ層における［１１１］構造をさらに向上させるため、上述した本発明の実施の形態に基づき、Ｔａ／Ｒｕ下地層を挿入することによりＴａ／Ｒｕ／Ｃｕシード層を形成した。下部Ｔａ層は３ｎｍ厚であり、中間のＲｕ層は２ｎｍ厚である。本実施例の部分的スピンバルブ積層構造における他の層の組成および膜厚は、上記実施例１の場合と同様である。その結果、垂直磁気異方性は、図７（ａ）〜（ｄ）の磁化曲線で示すように、図６（ａ）〜（ｄ）の場合と比較してさらに向上した。特に、Ｃｕ層の厚さが同じ１０ｎｍである場合を比較すると、図７（ｃ）に示す間隔ｓ5は、図６（ｄ）に示す間隔ｓ4よりも大きくなっている。また、図７（ａ）〜（ｄ）に示す各曲線の傾斜部分は、図６（ａ）〜（ｄ）に示す傾斜部分と比較してさらに垂直に近くなっており、垂直磁気特性がさらに向上したことを示している。なお、本実施例では、複合シード層の上部Ｃｕ層の厚さは、図７（ａ）では２００ｎｍ、図７（ｂ）では２０ｎｍ、図７（ｃ）では１０ｎｍ、図７（ｄ）では５ｎｍと減少させている。図７（ｄ）に示すように、Ｃｕ層の厚さが５ｎｍの場合であっても、厚いＣｕシード層（１００ｎｍ）を有する図６（ａ）の場合よりも垂直磁気異方性が向上している。また、異方性磁場Ｈｋは、Ｔａ３０／Ｒｕ２０／Ｃｕ５０の構造を有する極めて薄いシード層であるにもかかわらず、１５０００［Ｏｅ］（＝１５０００×１０3／４π［Ａ／ｍ］）よりも高いことがトルク測定の結果から確認された。
【実施例３】
【００５６】
実施例３では、上記実施例２で説明した複合シード層の上部Ｃｕ層を薄くすることによる効果をさらに検討するため、上部Ｃｕ層を、図８（ａ）では５ｎｍ、図８（ｂ）では３ｎｍと薄くした。また、図８（ｃ）では、上部Ｃｕ層を完全に除去した。なお、本実施例では、結果的にシード層のＴａ／Ｒｕ構造のうち、Ｔａ層が３ｎｍ厚、Ｒｕ層が５ｎｍ厚となっている。また、［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層構造の各Ｎｉ層の厚さがわずかに増加しており、０．５ｎｍ厚となっている。図８（ｃ）に示すように、複合シード層のＣｕ層を取り除いた場合であっても、［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層構造において優れた垂直磁気異方性特性が保たれることが分かった。
【実施例４】
【００５７】
実施例４では、Ｔａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ１０という構成の複合シード層と、中間の［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層リファレンス層と、上部のＲｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という構成の複合キャップ層とを有する積層構造を、２２０℃の温度で２時間にわたって熱処理した。垂直磁気異方性を形成する目的では、熱処理の最中に磁場を印加する必要はない。しかしながら、図９に示すように、垂直磁気異方性自体は熱処理工程を経ることによって大幅に増加する。なお、図９（ａ）は、熱処理前の平行磁界成分（上側）および垂直磁界成分（下側）の磁化曲線を示し、図９（ｂ）は、熱処理後の平行磁界成分（上側）および垂直磁界成分（下側）の磁化曲線を示している。図９に示す積層構造の各Ｃｏ層は０．２ｎｍの膜厚を有し、各Ｎｉ層は０．５ｎｍの膜厚を有している。実施例４のような熱処理後の積層構造から得られる磁気異方性エネルギーＫｕは、約５．６４×１０6［ｅｒｇ／ｃｃ］（＝５．６４×１０5［Ｊｏｕｌｅ／ｍ3］であり、異方性磁場Ｈｋは、１７１６１［Ｏｅ］（＝１７１６１×１０3／４π［Ａ／ｍ］）である。
【実施例５】
【００５８】
実施例５では、上述した本発明の実施の形態に基づき、以下の構造を有するボトム型のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ積層構造を作製した。
Ｔａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ５／［（Ｃｏ２／Ｎｉ４）20］／Ｃｕ３／ＦｅＣｏＡｌ２０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
なお、各層の後ろの数字は、膜厚（ｎｍ）を表している。この構造において、Ｔａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ５は複合シード層を示し、［（Ｃｏ２／Ｎｉ４）20］は積層リファレンス層を示し、Ｃｕ３は金属スペーサ層を示す。ＦｅＣｏＡｌ２０はフリー層を示し、その詳細な組成は［Ｆｅ50Ｃｏ50］80Ａｌ20である。Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３は複合キャップ層を表している。図１０は、積層面と平行な方向の磁気異方性成分の磁化曲線（上側プロット）と、垂直磁気異方性成分の磁化曲線（下側プロット）とを示している。図１０に示すように、［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層リファレンス層の垂直磁気異方性が十分に保たれていることが分かる。また、高ＭＲ比等の、良好なＧＭＲ特性が得られているものと考えられる。なお、垂直磁気異方性を示す磁化曲線（下側プロット）のなだらかな曲線部分（傾斜部分）は、ＦｅＣｏＡｌ層の磁化に付随したものである。
【実施例６】
【００５９】
実施例６では、上述した第２の実施の形態に基づき、以下の構造を有するトップ型のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ積層構造を作製した。
Ｔａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ５／ＦｅＣｏＡｌ２０／Ｃｕ５／［（Ｃｏ２／Ｎｉ４）20］／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
なお、各層の後ろの数字は、膜厚（ｎｍ）を表している。この構造においては、磁気特性を測定するために、アルミナからなる基板上に、複合シード層と、ＦｅＣｏＡｌフリー層と、Ｃｕスペーサ層と、積層リファレンス層と、キャップ層とを順次形成した。図１１（ａ）は、このトップ型スピンバルブ積層構造における積層面平行成分の磁化曲線（上側プロット）と、垂直磁気異方性成分の磁化曲線（下側プロット）とを示している。また、比較目的から、ＦｅＣｏＡｌ２０という非磁性層を有する同様の積層構造を作製した。図１１（ｂ）は、このＦｅＣｏＡｌ２０非磁性層を有する積層構造における積層面平行成分の磁化曲線（上側プロット）と、垂直磁気異方性成分の磁化曲線（下側プロット）とを示している。図１１（ａ）に示すように、トップ型のスピンバルブ積層構造を用いた場合であっても、Ｃｏ／Ｎｉ積層リファレンス層の垂直磁気異方性が確保されている。これは、ＣｏＰｔ等の他の垂直磁気異方性材料を用いた場合には一般的に非常に困難なことである。また、優れたＧＭＲ特性も得られている。
【実施例７】
【００６０】
実施例７では、上述した第３の実施の形態に基づき、［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層リファレンス層とフリー層との間に電流制限パス（ＣＣＰ）層を有するボトム型のＣＰＰ−ＧＭＲスピンバルブ構造を作製した。このスピンバルブ構造は、以下の構造を有する。
Ｔａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ５／［（Ｃｏ２／Ｎｉ４）20］／Ｃｕ０．５２／ＡｌＣｕ１／ＰＩＴ／ＩＡＯ／Ｃｕ０．４／ＦｅＣｏＡｌ２０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
なお、上述したＰＩＴ処理およびＩＡＯ処理を行うことにより、ＡｌＣｕ層は、内部に電流制限Ｃｕパスを有するＡｌＯｘマトリクスへと変化する。この電流制限パス層は、ＭＲ比を増加させるとともに、フリー層のＳＴＯ磁化反転を利用したスピントロニック素子において望まれている、臨界電流密度の低下を達成するものと予想される。
【実施例８】
【００６１】
実施例８では、上述した第４の実施の形態に基づき、［Ｃｏ／Ｎｉ］20積層リファレンス層とフリー層との間に、ＡｌＯｘまたはＭｇＯを含むトンネルバリア層を有するボトム型ＣＰＰ−ＴＭＲスピンバルブ構造を作製した。このスピンバルブ構造は、以下の構造を有する。
Ｔａ３／Ｒｕ５／Ｃｕ５／［（Ｃｏ２／Ｎｉ４）20］／ＡｌＯｘまたはＭｇＯ／ＦｅＣｏＡｌ２０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
本実施例では、ＡｌＯｘまたはＭｇＯを有するトンネルバリア層により、上記実施例５および実施例６で得られる値よりも高いＭＲ比が得られるものと予想される。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態のボトム型スピンバルブ構造およびトップ型スピンバルブ構造によれば、ｆｃｃ［１１１］格子構造を有する薄いシード層を形成するようにしたので、後段で熱処理を行うようにした場合においても、より上層にある［Ｃｏ／Ｎｉ］ｘ積層リファレンス層の垂直磁気異方性を向上させることができる。本実施の形態は、例えば、ＧＭＲスピンバルブまたはＴＭＲスピンバルブに基づく各種スピントロニック素子に適用することができ、とりわけ、ＭＡＭＲ用のＳＴＯデバイスや、ＭＡＭＲ記録用ヘッドのＳＴＯ構造等に適用することもできる。このようにシード層を薄くすることは、ＣｏとＮｉとの界面を保つことにより垂直磁気異方性の維持を可能とするＣｏ／Ｎｉ成膜方法によって可能となるものであり、その結果、高い性能を実現することができる。
【００６３】
本発明をその好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式的な変更および詳細な変更をなし得ることを理解することができる。例えば、マイクロ波アシスト磁気記録用のボトム型ＳＴＯ記録ヘッドとして説明したＳＴＴ構造は、ＳＴＴ−ＭＲＡＭ素子のメモリセルにも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
２０，４０，５０…ボトム型スピンバルブ構造、２１…基板、２２…複合シード層、２３…積層リファレンス層、２４…金属スペーサ層、２４ａ…下部Ｃｕ層、２４ｂ…上部Ｃｕ層、２５…フリー層、２６…キャップ層、２７…ナノオキサイド層、２８…トンネルバリア層、３０…トップ型スピンバルブ構造、６０…ＭＡＭＲ用ボトム型ＳＴＯ構造、６１…第１電極、６２…金属スペーサ層、６３…磁界生成層、６４…垂直磁気異方性層、６５…第２電極、７０…ＭＡＭＲ用トップ型ＳＴＯ構造、７１…媒体基板、７２…媒体トラック、７３…センサ、７４ａ…上部シールド、７４ｂ…下部シールド、７５…再生ヘッド、７６…トレーリングシールド、７７…主磁極、７８…コイル、８０…トップ型ＳＴＯ記録ヘッド、９０…ボトム型ＳＴＯ記録ヘッド。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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