(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）基体上に形成されたシード層と、
（ｂ）垂直磁気異方性（ＰＭＡ：perpendicular magnetic anisotropy ）を有するスピン注入層（ＳＩＬ：spin injection layer）と、
（ｃ）第１の厚さを有する第１のＦＧＬ（磁界生成層，ＦＧＬ：field generation layer）と、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する第２のＦＧＬとが、互いに逆向きの面内方向磁気モーメントを有するとともに、中間結合層によって分離されるように設けられたシンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ：synthetic anti-ferromagnetic）構成の複合ＦＧＬと、
（ｄ）第１のＦＧＬに隣接するとともに、第１のスペーサ層によって前記ＳＩＬから分離された第１のＰＭＡアシスト層と、
（ｅ）第２のスペーサ層によって前記第２のＦＧＬから分離された第２のＰＭＡアシスト層と
を備え、
前記第１のＰＭＡアシスト層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）m ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）m ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）m ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）m からなり（但し、ｍは括弧内積層体の繰り返し積層数である）、
前記第２のＰＭＡアシスト層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）p ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）p ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）p ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）p からなり（但し、ｐは括弧内積層体の繰り返し積層数である）、
前記シード層、前記ＳＩＬ、前記複合ＦＧＬ、前記第１および第２のＰＭＡアシスト層、ならびに第１および第２のスペーサ層を含む上記の層はすべて前記基体上の積層体内に形成されている
スピントランスファー発振器（ＳＴＯ：spin transfer oscillator）構造。
【請求項２】
前記シード層はＴａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成（但し、前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、前記Ｒｕ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記Ｃｕ層の厚さは０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）を有する
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項３】
キャップ層をさらに備え、
前記シード層、前記ＳＩＬ、前記第１のスペーサ層、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記複合ＦＧＬ、前記第２のスペーサ層、前記第２のＰＭＡアシスト層、および前記キャップ層は、この順に前記基体の上に形成されている
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項４】
キャップ層をさらに備え、
前記シード層、前記第２のＰＭＡアシスト層、前記第２のスペーサ層、前記複合ＦＧＬ、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記第１のスペーサ層、前記ＳＩＬ、および前記キャップ層は、この順に前記基体の上に形成されている
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項５】
前記第１および第２のスペーサ層は銅（Ｃｕ）からなる
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項６】
前記第１のスペーサ層は金属酸化物からなり、前記第２のスペーサ層は銅（Ｃｕ）からなる
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項７】
前記複合ＦＧＬはＦｅＣｏ／Ｒｕ／ＦｅＣｏなる構成（但し、前記第１のＦＧＬとしてのＦｅＣｏの前記第１の厚さは１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下、第２のＦＧＬとしてのＦｅＣｏの前記第２の厚さは５ｎｍ未満）を有する
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項８】
前記ＳＩＬは、（Ｃｏ／Ｎｉ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）n ， （ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）n ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）n ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｐｄ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｉｒ）n ，ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄ，またはＴｂＦｅ（Ｃｏ）からなる（但し、ｎは括弧内積層体の繰り返し積層数であり、５以上５０以下）
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項９】
前記ｍは５以上３０以下であり、
前記ｐは７以上１０以下である
請求項１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１０】
前記キャップ層の上面の上に形成されたライトシールドをさらに備え、
前記基体はマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ：microwave assisted magnetic recording ）デバイスにおける主磁極層である
請求項３に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１１】
（ａ）基体の上に形成されたシード層と、
（ｂ）垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有するスピン注入層（ＳＩＬ）と、
（ｃ）上面および下面を有するとともに、面内方向の磁気モーメントを有する磁界生成層（ＦＧＬ）と、
（ｄ）前記ＦＧＬの前記上面および下面のうちの一方に隣接するとともに、第１のスペーサ層によって前記ＳＩＬから分離され、面に対して垂直な第１の方向の磁化を有する第１のＰＭＡアシスト層と、
（ｅ）第２のスペーサ層によって前記ＦＧＬの前記上面および下面のうちの他方から分離された第２のＰＭＡアシスト層と
を備え、
前記第２のＰＭＡアシスト層は、第１の厚さを有すると共に前記面に対して垂直な第１の方向とは逆の磁化を有する第１のＰＭＡ層と、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する第２のＰＭＡ層と、前記第１のＰＭＡ層と前記第２のＰＭＡ層との間に形成された中間結合層とによって構成されたシンセティック構造を有し、
前記シード層、前記ＳＩＬ、前記ＦＧＬ、前記第１および第２のＰＭＡアシスト層、ならびに前記第１および第２のスペーサ層を含む上記の層はすべて前記基体上の積層体内に形成されている
スピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造。
【請求項１２】
前記シード層はＴａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成（但し、前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、前記Ｒｕ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、前記Ｃｕ層の厚さは０．１ｎｍ以上１０ｎｍ以下）を有する
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１３】
キャップ層をさらに備え、
前記シード層、前記ＳＩＬ、前記第１のスペーサ層、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記ＦＧＬ、前記第２のスペーサ層、前記第２のＰＭＡアシスト層、および前記キャップ層は、この順に前記基体の上に形成されている
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１４】
キャップ層をさらに備え、
前記シード層、前記第２のＰＭＡアシスト層、前記第２のスペーサ層、前記ＦＧＬ、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記第１のスペーサ層、前記ＳＩＬ、および前記キャップ層は、  この順に前記基体の上に形成されている
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１５】
前記第１および第２のスペーサ層は銅（Ｃｕ）からなる
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１６】
前記第１のスペーサ層は金属酸化物からなり、前記第２のスペーサ層はＣｕからなる
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１７】
前記ＦＧＬは、厚さが１０ｎｍ以上２０ｎｍ以下であるＦｅＣｏ、またはＦｅＣｏの合金からなる
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１８】
前記ＳＩＬは、（Ｃｏ／Ｎｉ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）n ， （ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）n ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）n ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｐｔ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｐｄ）n ，（ＣｏＦｅ／Ｉｒ）n ，ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄ，またはＴｂＦｅ（Ｃｏ）からなる（但し、ｎは括弧内積層体の繰り返し積層数であり、５以上５０以下）
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項１９】
前記第１のＰＭＡアシスト層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）m ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）m ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）m ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）m からなる積層体である（但し、ｍは括弧内積層体の繰り返し積層数であり、５以上３０以下）
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項２０】
前記第１の厚さを有する前記第１のＰＭＡ層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）p ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）p ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）p ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）p からなる積層体（但し、ｐは括弧内積層体の繰り返し積層数であり、７以上１０以下）であり、
前記第２の厚さを有する前記第２のＰＭＡ層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）q ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）q ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）q ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）q ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）q からなる積層体（但し、ｑは括弧内積層体の繰り返し積層数であり、３以上６以下）である
請求項１１に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項２１】
前記キャップ層の上面に形成されたライトシールドをさらに備え、
前記基体はマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）デバイスにおける主磁極層である
請求項１３に記載のスピントランスファー発振器構造。
【請求項２２】
（ａ）基体の上に、Ｔａ／Ｍ１（Ｍ１層はｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶方位を有する金属）またはＴａ／Ｍ１／Ｍ２（Ｍ２はＭ１と異なる金属）なる構成を有する複合シード層を形成する工程と、
（ｂ）前記複合シード層の上に、
（１）垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有するスピン注入層（ＳＩＬ）と、
（２）第１の厚さを有する第１のＦＧＬと、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する第２のＦＧＬとが、互いに逆向きの面内方向磁気モーメントを有するとともに、中間結合層によって互いに分離されるように設けられたシンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ）構成の複合磁界生成層（ＦＧＬ）と、
（３）前記第１のＦＧＬの表面に隣接するとともに、第１のスペーサ層によって前記ＳＩＬから分離された第１のＰＭＡアシスト層と、
（４）第２のスペーサ層によって前記第２のＦＧＬから分離された第２のＰＭＡアシスト層と、
（５）キャップ層と
を含む積層体を形成する工程と、
（ｃ）前記シード層、前記キャップ層、および前記積層体をアニーリングする工程とを含み、
前記第１のＰＭＡアシスト層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）m ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）m ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）m ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）m からなり（但し、ｍは括弧内積層体の繰り返し積層数である）、
前記第２のＰＭＡアシスト層は、（Ｃｏ／Ｎｉ）p ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）p ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）p ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）p からなる（但し、ｐは括弧内積層体の繰り返し積層数である）
スピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２３】
前記アニーリングを、０．５時間以上５時間以下の時間にわたって、１５０°Ｃ以上３００°Ｃ以下の温度で行う
請求項２２記載のスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２４】
前記基体は主磁極であり、
前記ＳＩＬ、前記第１のスペーサ層、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記複合ＦＧＬ、前記第２のスペーサ層、前記第２のＰＭＡアシスト層、および前記キャップ層を、この順に前記シード層の上に形成し、その後、前記キャップ層の上にライトシールドを形成する
請求項２２記載のスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２５】
前記基体は主磁極であり、
前記第２のＰＭＡアシスト層、前記第２のスペーサ層、前記複合ＦＧＬ、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記第１のスペーサ層、前記ＳＩＬ、および前記キャップ層を、この順に前記シード層の上に形成し、その後、前記キャップ層の上にライトシールドを形成する
請求項２２記載のスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２６】
（ａ）基体の上に、Ｔａ／Ｍ１（Ｍ１層はｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶方位を有する金属）またはＴａ／Ｍ１／Ｍ２（Ｍ２はＭ１と異なる金属）なる構成を有する複合シード層を形成する工程と、
（ｂ）前記複合シード層の上に、
（１）垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有するスピン注入層（ＳＩＬ）と、
（２）面内方向の磁気モーメントを有するとともに、上面および下面を有する磁界生成層（ＦＧＬ）と、
（３）前記ＦＧＬの前記上面および下面のうちの一方に隣接するとともに、第１のスペーサ層によって前記ＳＩＬから分離され、面に対して垂直な第１の方向の磁化を有する第１のＰＭＡアシスト層と、
（４）第１の厚さを有すると共に前記面に対して垂直な第１の方向とは逆の磁化を有する第１のＰＭＡ層と、前記第１の厚さよりも小さい第２の厚さを有する第２のＰＭＡ層と、前記第１のＰＭＡ層と前記第２のＰＭＡ層との間に形成された中間結合層とによって構成されたシンセティック構造を有し、第２のスペーサ層によって前記ＦＧＬの前記上面および下面のうちの他方から分離された第２のＰＭＡアシスト層と、
（５）キャップ層と
を含む積層体を形成する工程と、
（ｃ）前記シード層、前記キャップ層、および前記積層体をアニーリングする工程と
を含むスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２７】
前記アニーリングを、０．５時間以上５時間以下の時間にわたって、１５０°Ｃ以上３００°Ｃ以下の温度で行う
請求項２６記載のスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２８】
前記基体は主磁極であり、
前記ＳＩＬ、前記第１のスペーサ層、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記ＦＧＬ、前記第２のスペーサ層、前記第２のＰＭＡアシスト層、および前記キャップ層を、この順に前記シード層の上に形成し、その後、前記キャップ層の上にライトシールドを形成する
請求項２６記載のスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【請求項２９】
前記基体は主磁極であり、
前記第２のＰＭＡアシスト層、前記第２のスペーサ層、前記ＦＧＬ、前記第１のＰＭＡアシスト層、前記第１のスペーサ層、前記ＳＩＬ、および前記キャップ層を、この順に前記シード層の上に形成し、その後、前記キャップ層の上にライトシールドを形成する
請求項２６記載のスピントランスファー発振器構造の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントロニクス素子に係わり、特に、スピントランスファーモーメント効果（spin transfer momentum effect ）を利用してマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ：microwave assisted magnetic recording ）用途における書込動作をアシストすることにより、記録媒体の保磁力を大幅に下回るヘッド磁界による書き込みを可能とするスピントランスファー発振器構造およびその形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ：magnetoresistive random access memory ）は、シリコンＣＭＯＳ技術と、磁気トンネル接合（ＭＴＪ：magnetic tunnel junction）技術とを組み合わせたものであり、ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ、およびフラッシュメモリ等の既存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技術である。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（スピントルクまたはＳＴＴ）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クス素子に応用できる可能性があることから、多大な関心を呼んでいる。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クス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モーメント効果（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書き込みを可能とするものである。
【０００３】
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である。ＰＭＡを有するスピントロニクス素子は、熱的安定性要件を満たすとともに、低スイッチング電流密度を有するだけでなく、セル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、ＰＭＡに基づくスピンバルブ構造は、将来的なＭＲＡＭ用途や他のスピントロニクス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。非特許文献３に記載の理論的表現によれば、垂直磁気デバイスは、同一の磁気異方性磁界を用いた面内磁気デバイスよりも低いスイッチング電流を実現する可能性を有すると予測されている。
【０００４】
メモリセルの寸法が減少すると、より大きな磁気異方性が必要となる。熱安定性係数は、メモリセルの体積に比例するからである。一般に、ＰＭＡ材料は、ＮｉＦｅやＣｏＦｅＢ等の従来の面内軟磁性材料よりも大きな磁気異方性を有する。したがって、ＰＭＡを備えた磁気デバイスは、低いスイッチング電流および高い熱的安定性を実現する上で有利である。
【０００５】
J/G.Zhu 等による非特許文献２に記載されているように、ＰＭＡ材料は、ＭＡＭＲに用いるものとして検討されてきた。垂直記録構造において、媒体保磁力を大きく下回るヘッド磁界での書き込みのメカニズムが提案されている。
【０００６】
図１は、非特許文献２から引用した図であり、交流磁界アシスト垂直ヘッドデザインを表す。上部のキャプション１９は、マイクロ波周波数方式において、局部交流磁界を生成するための垂直スピントランスファー駆動発振器（ＳＴＯ：spin transfer oscillator）を表す。
【０００７】
キャプション１９には、下部電極１１ａ、上部電極１１ｂ、垂直方向の磁化を有するリファレンス層１２（スピン注入層ＳＩＬ）、金属性スペーサ層１３、および発振積層体１４が図示されている。発振積層体１４は、磁界生成層（ＦＧＬ：field generation layer）１４ａと、容易軸１４ｃを有し垂直異方性を有する層１４ｂとからなる。上側のキャプション１９に示した交流磁界生成器は、図の下側に示したデバイスを９０°回転させたものである。図の下側に示したように、ＳＴＯデバイスは、書込用磁極１７とトレーリングシールド１８との間に配置されている。書込用磁極は、軟磁性下地層１５を有する磁性媒体１６の表面を横切って移動する。リファレンス層１２は、注入電流（Ｉ）のスピン偏極をもたらす。磁界生成層１４ａと層１４ｂとは、強磁性交換結合している。この技術が成熟していくに伴い、リファレンス層および発振積層体に用いる材料も向上させる必要がある。
【０００８】
特許文献１には、各積層が非連続の磁性相が非磁性相に囲まれた複合体からなる垂直磁気媒体が記載されている。製造方法には、複合層に対する熱処理、またはなんらかの表面処理を含んでもよい。
【０００９】
現在のデバイスにおいて１平方センチメートルあたり１×１０8 Ａのレベルを下回る電流密度の使用を可能とする、より強いＦＧＬ発振を生成するためには、ＭＡＭＲ技術をさらに向上させる必要がある。それにより、電力使用や信頼性における性能を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第７，１２８，９８７号明細書
【００１１】
【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】S. Mangin 等著、「Current-induced magnetization reversal in nanopillars with perpendicular anisotropy 」、Nat. Mater. 、２００６年、５，２１０
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の第１の目的は、現在のＭＡＭＲ方式よりも低い電流密度およびバイアス電圧下において、より強いＦＧＬ発振を可能とする、ＭＡＭＲ用途のスピントランスファー発振器（ＳＴＯ：spin transfer oscillator）およびその形成方法を提供することにある。
【００１３】
本発明の第２の目的は、磁界生成層（ＦＧＬ）における飽和磁化膜厚値Ｍｓｔ（＝飽和磁化Ｍｓ×膜厚ｔ）を増加させることによって、ＭＡＭＲ用途での書込動作をアシストするのに十分な大きさの磁界をもたらすこと、すなわち、従来用いられていたものよりも大きな飽和磁化膜厚Ｍｓｔを有するＦＧＬを発振状態にまで励起し、現在のデバイスで実現される３００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］ないし６００×１０3 ／４π［Ａ／ｍ］よりも大幅に大きな磁束（交流磁界）をもたらすことを可能とするＳＴＯ構造およびその形成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の上記の目的は、シード層と、少なくとも２つの、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有する（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x 等の積層構造とを含むことによって、隣接する磁界生成層（ＦＧＬ）内の発振を向上させる多層磁性積層体としてのＳＴＯ構造によって達成される。
【００１５】
本発明のＳＴＯ構造は、シード層、ＳＩＬ、ＦＧＬ、キャップ層、および２つのＰＭＡアシスト層によって構成される。第１のＰＭＡアシスト層はＦＧＬの例えば下面に隣接し、第２のＰＭＡアシスト層はＦＧＬの例えば上面に隣接する。全ての実施の形態において、ＳＩＬと第１のＰＭＡアシスト層との間にはスペーサ層が挿設されている。スペーサ層としては、ＣＰＰ方式の巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：giant magnetoresistive）構成の場合はＣｕが用いられ、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：tunneling magnetoresistive）構成の場合は、ＭｇＯ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＺｎＯのうちの１つが用いられる。
【００１６】
本発明の第１の態様は、ボトム型のＳＴＯ構造に関する。この形態において、ＦＧＬは面内磁化方向が互いに逆向きであるＦｅＣｏ等からなる２つの強磁性層が中間結合層によって分離されてなるシンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ：synthetic anti-ferromagnetic）構成の複合ＦＧＬである。このボトム型のＳＴＯ構造は、シード層／ＳＩＬ／第１のスペーサ層／第１のＰＭＡアシスト層／複合ＦＧＬ／第２のスペーサ層／第２のＰＭＡアシスト層／キャップ層という構成によって表される。
【００１７】
第１および第２のＰＭＡアシスト層ならびにＳＩＬは、それぞれ、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x 等の積層構造を有することが好ましい。ここで、ｘ（＝ｎ，ｍ，ｐ）は、ＳＩＬにおいては５以上５０以下、第１のＰＭＡアシスト層においては５以上３０以下、第２のＰＭＡアシスト層においては７以上１０以下である。２つのＰＭＡアシスト層はＦＧＬに対して同様のアシスト効果を有すると考えられる。すなわち、２つのＰＭＡアシスト層は等しく、ＦＧＬの面内磁化を部分的に傾けさせ、垂直成分を含むようにすることができると考えられる。
【００１８】
この場合、複合ＦＧＬ内の下部ＦｅＣｏ層の厚さは、上部ＦｅＣｏ層の厚さよりも大きいことが好ましい。第１のＰＭＡアシスト層は、隣接する複合ＦＧＬ内の下部ＦｅＣｏ層と強く磁気結合している。よって、ＦＧＬの異方性は、積層面に対して垂直方向に部分的に傾けられ、ＳｙＡＦ構成のＦＧＬ構造全体が低電流密度下において容易に発振可能となる。
【００１９】
第２の態様は、トップ型のＳＴＯ構造に関する。このトップ型ＳＴＯ構造において、ＳＩＬはＳＴＯ積層体の最上部にあるキャップ層に隣接し、ＦＧＬはシンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ）構造を有する複合ＦＧＬである。
【００２０】
このＳＴＯの膜構成は、シード層／第２のＰＭＡアシスト層／第２のスペーサ層／複合ＦＧＬ／第１のＰＭＡアシスト層／第１のスペーサ層／ＳＩＬ／キャップ層によって表される。複合ＦＧＬ内の下部ＦｅＣｏ層の厚さは上部ＦｅＣｏ層の厚さよりも小さいことが好ましい。また、第１のＰＭＡアシスト層は、複合ＦＧＬ内の厚い方のＦｅＣｏ層と強く結合している。よって、複合ＦＧＬの磁化は積層面に対して垂直方向に向かって傾けられる。
【００２１】
第３の態様は、ボトム型のＳＴＯ構造に関するものであるが、上記第１の態様とは異なり、ＦＧＬが、面内磁化方向を有するＦｅＣｏ等の単層の強磁性層単層からなり、また、第２のＰＭＡアシスト層が、いわゆるシンセティック構造（synthetic structure ）を有する。この場合のシンセティック構造は、互いに逆向きの垂直磁化を有する２つのＣｏＦｅ／Ｎｉ等の積層体を中間結合層によって分離して配置したものである。
【００２２】
このＳＴＯの膜構成は、シード層／ＳＩＬ／第１のスペーサ層／第１のＰＭＡアシスト層／ＦＧＬ／第２のスペーサ層／第２のＰＭＡアシスト層／キャップ層である。この構成において、第２のＰＭＡアシスト層のうちの下部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q 積層体は第２のスペーサ層によってＦＧＬから分離されており、他方、上部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p 積層体は、キャップ層と接触している。ここで、ｐおよびｑは括弧内の積層ユニットの積層数を示し、ｐはｑよりも大きい。一般に、ｐは７以上１０以下の整数であり、ｑは３以上６以下の整数である。
【００２３】
ＳＩＬは、例えば［Ｃｏ100-y Ｆｅy ］／Ｎｉ］x なる積層構造を有する。このＳＩＬにおけるＦｅの組成比ｙは０（純Ｃｏの場合）以上９０以下である。第１のスペーサ層は、ＣＰＰ−ＧＭＲ構成の場合はＣｕ等であり、ＴＭＲ構成においては金属酸化物である。また、第２のスペーサ層はＣｕであることが好ましい。
【００２４】
なお、上部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p 積層体における括弧内の積層ユニットは、例えば（Ｃｏ／Ｐｔ）または（Ｃｏ／Ｐｄ）のような、高い異方性磁界Ｈｋと低い飽和磁化Ｍｓとを有する他のＰＭＡ材料によって置き換えてもよい。
【００２５】
本態様においては、第１のＰＭＡアシスト層、および第２のＰＭＡアシスト層のうちの下部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q 積層体の双方がＦＧＬをアシストし、一部にＰＭＡ特性を有する磁化を実現する。他方、上部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p 積層体は、単に、下部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q 積層体の磁化配向を確実なものにするために用いられる。
【００２６】
第４の態様は、トップ型のＳＴＯ構造を有する点を除き、第３の態様と同様の層構成である。その構成は、シード層／第２のＰＭＡアシスト層／第２のスペーサ層／ＦＧＬ／第１のＰＭＡアシスト層／第１のスペーサ層／ＳＩＬ／キャップ層である。この場合、シンセティック層である第２のＰＭＡアシスト層のうちの（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p 積層体はシード層に隣接し、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q 積層体は第２のスペーサ層によってＦＧＬから分離している。第１のＰＭＡアシスト層、および第２のＰＭＡアシスト層のうちの上部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q 積層体の双方がＦＧＬに作用し、部分的ＰＭＡ特性が達成される。他方、下部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p 積層体は、単に、上部（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q 積層体の磁化配向を確実なものにするために用いられる。
【００２７】
なお、本出願は、本出願人によりなされた以下の出願と関連するものであり、それらのすべてが参照されて本出願に組み入れられるべきである。
米国特許出願公開第２００９／０２５７１５１号
２００９年６月２４日出願の米国特許出願第１２／４５６９３５号
２００９年１０月２６日出願の米国特許出願第１２／５８９６１４号
２０１０年５月２８日出願の米国特許出願第１２／８０２０９１号
２０１０年１１月５日出願の米国特許出願第１２／９２７０８３号
【発明の効果】
【００２８】
本発明のスピントランスファー発振器構造によれば、高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有する積層体を磁界生成層（ＦＧＬ）の上面および下面に配置することにより磁界生成層の面内磁化方向を傾斜させ、積層面に対して垂直な成分を一部に含むようにしたので、より低い電流密度およびバイアス電圧下において、より強いＦＧＬ発振が可能となる。また、従来と同じ電流密度下であれば、より大きな面内磁気モーメントを有する磁界生成層を発振状態に至らせ、大幅に大きな交流磁界を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来技術の参照例に係る交流磁界アシスト垂直ヘッドデザインを有するＭＡＭＲヘッドを表す模式図である。
【図２Ａ】ボトムＳＩＬ型である従来のＳＴＯ構造（ＳＩＬはスペーサ層によってＦＧＬから分離）を表す断面図である。
【図２Ｂ】トップＳＩＬ型である従来のＳＴＯ構造（ＳＩＬはスペーサ層によってＦＧＬから分離）を表す断面図である。
【図２ａ】ＦＧＬとスペーサ層との間にＰＭＡアシスト層を挿入し図２Ａにおける多層積層体を変形することによって改良したボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造を示す断面図である。
【図２ｂ】ＦＧＬとスペーサ層との間にＰＭＡアシスト層を挿入し図２Ｂにおける多層積層体を変形することによって改良したトップＳＩＬ型のＳＴＯ構造を示す断面図である。
【図３Ａ】ＭＡＭＲに用いられる理想的なボトムＳＩＬ型ＳＴＯ構造（ＦＧＬは、ＦＧＬの上面および下面のそれぞれに隣接し互いに逆向きの磁化方向を有する２つのＰＭＡアシスト層を有する）を表す断面図である。
【図３Ｂ】ＭＡＭＲに用いられる理想的なトップＳＩＬ型ＳＴＯ構造（ＦＧＬは、ＦＧＬの上面および下面のそれぞれに隣接し互いに逆向きの磁化方向を有する２つのＰＭＡアシスト層を有する）を表す断面図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るボトム型ＳＴＯ構造（シンセティックＦＧＬの下面に隣接する第１のＰＭＡアシスト層と、シンセティックＦＧＬ上面に形成された、スペーサ層および第２のＰＭＡアシスト層からなる積層体とを含む）を表す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係るトップ型ＳＴＯ構造（シンセティックＦＧＬの上面に隣接する第１のＰＭＡアシスト層と、シード層とシンセティックＦＧＬ下面との間に形成された、第２のＰＭＡアシスト層およびスペーサ層からなる積層体とを含む）を表す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係るボトム型ＳＴＯ構造（ＦＧＬの下面に隣接する第１のＰＭＡアシスト層と、ＦＧＬ上面に形成された、スペーサ層およびシンセティック構成の第２のＰＭＡアシスト層からなる積層体とを含む）を表す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るトップ型ＳＴＯ構造（ＦＧＬの上面に隣接する第１のＰＭＡアシスト層と、シード層とＦＧＬ下面との間に形成された、スペーサ層およびシンセティック構成の第２のＰＭＡアシスト層からなる積層体とを含む）を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本実施の形態は、高垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を有する積層体を磁界生成層（ＦＧＬ）の上面および下面に配置することによって、ＦＧＬの面内磁化方向を傾斜させ、面に対して垂直な成分を含むようにし、それにより低いバイアス電圧値においてより強いＦＧＬ発振を可能とするスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）に関するものである。
【００３１】
本実施の形態例におけるＰＭＡ積層体は、Ｃｏ／Ｎｉ層、またはＣｏＦｅ／Ｎｉ層によって構成されているが、当業者であれば、ＭＡＭＲ、ＭＲＡＭ、センサ、および他の磁気デバイス内に形成されるＳＴＯ構造におけるＰＭＡ層として、Ｃｏ／ＮｉＦｅ、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ等の他の積層体を用いてもよいことがわかるであろう。
【００３２】
例えば、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x なる積層における積層数“ｘ”は、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）層の数を示す。積層数を示すために、ｘ以外の文字を用いる場合もある。「磁化」および「磁気モーメント」という用語は互いに置き換え可能なものとして使用する。なお、ＦｅＣｏは鉄をより多く含む合金を表し、ＣｏＦｅは一般にＣｏをより多く含む合金を表すものとする。
【００３３】
本出願人は、関連する米国特許出願公開第２００９／０２５７１５１号において、ＭＲＡＭ用途における、ＰＭＡを有するＣｏ／Ｎｉ多層構造の利点について開示した。このような構造では、（Ｃｏ／Ｎｉ）x なる積層構造（ｘは５〜５０）の磁気異方性は、Ｃｏ原子およびＮｉ原子の３ｄ電子および４ｓ電子のスピン軌道相互作用から生じる。このような相互作用によって、［１１１］配向結晶軸に関して異方性を有する軌道モーメントが生じると共に、スピンモーメントと軌道モーメントとのアライメントが行われる。
【００３４】
米国特許出願第１２／５８９６１４号には、（Ｃｏz Ｆｅ(100-z) ／Ｎｉ）x および関連する積層構造について、同様のＰＭＡによる作用が記載されている。ＰＭＡは、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２、またはＴａ／Ｍ１なる構成の複合シード層を用いることによって向上する。ここで、Ｍ１は、Ｒｕ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，ＮｉＣｒ，ＮｉＦｅＣｒ等のｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ（六方最密充填）［００１］結晶方位を有する金属または合金であり、Ｍ２は、Ｃｕ，Ｔｉ，Ｐｄ，Ｗ，Ｒｈ，Ａｕ，またはＡｇである。但し、Ｍ２はＭ１と同じではない。複合シード層におけるＴａ層、Ｍ１層、およびＭ２層は、その上を覆う層の［１１１］構造を増強するために重要である。具体的には、Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ、およびＴａ／Ｒｕ／Ｃｕなるシード層は、その上を覆う多層積層体のＰＭＡおよび保磁力Ｈｃを特に効果的に増強することがわかっている。Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなるシード層において、Ｔａの厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ、Ｒｕの厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｃｕの厚さは０．１ｎｍ〜１０ｎｍであることが好ましい。Ｍ１がＲｕである場合は、Ｃｕを削除し、Ｔａ／Ｒｕなるシード層構成としてもよい。この場合、Ｔａの厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ以下、Ｒｕの厚さは２ｎｍ〜１０ｎｍである。あるいは、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層体をＴａ／ＣｕまたはＴａ／ＮｉＣｒなる積層体によって置き換えてもよい。この場合、Ｔａの厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ、Ｃｕの厚さは２ｎｍ〜５ｎｍ、ＮｉＣｒの厚さは４ｎｍ〜１０ｎｍが好ましい。
【００３５】
（Ｃｏ／Ｎｉ）x または（Ｃｏz Ｆｅ(100-z) ／Ｎｉ）x なる積層体からなる多層積層体等は、従来用いられていた（Ｃｏ／Ｐｔ）および（Ｃｏ／Ｐｄ）なる積層と比較して、特定の用途において、スピン偏極の増加、コストの低減、飽和磁化膜厚Ｍｓｔの増加などの優れた特性を有する。さらに、関連する米国特許出願第１２／８０２０９１号に記載されているように、隣接する層間の界面を向上させる表面改質技術を１つ以上用いることにより、積層体の保磁力Ｈｃ成分を増加させることができる。
【００３６】
本出願人は、関連する米国特許出願第１２／９２７０８３号において、ＦＧＬに隣接したＰＭＡアシスト層を１つ用いることによって、ＦＧＬ発振を向上させ、ＦＭＲ周波数を３０ＧＨｚよりも大きくすることを開示した。この改良されたボトム型ＳＴＯでは、ＦＧＬの下にＰＭＡアシスト層を成膜し、他方、改良されたトップ型ＳＴＯにおいては、ＦＧＬの上面の上にＰＭＡアシスト層を形成する。例えば、ボトム型ＳＴＯの構造は、シード層／ＳＩＬ／スペーサ層／ＰＭＡアシスト層／ＦＧＬ／キャップ層によって表される（図２ａ）。この構造では、ＰＭＡアシスト層を有していない、以前のＳＴＯ構造（図２Ａ）と比較すると、発振周波数における特性が大幅に向上している。
【００３７】
図２Ａに示した従来のＳＴＯ構造は、シード層／ＳＩＬ／スペーサ層／ＦＧＬ／キャップ層によって表される。すなわち、このボトムＳＩＬ構成では、主磁極２０の上に、シード層２１、ＳＩＬ２２、Ｃｕからなるスペーサ層２３、ＦＧＬ２４、およびキャップ層２５がこの順に形成される。この構成は、キャップ層２５の上面と接触するライトシールド２６を有する。
【００３８】
一方、図２ａにおける改良されたボトム型ＳＴＯでは、この図の右側に隣接するキャプションに示すように、ＰＭＡアシスト層２７ａは、ＦＧＬ２７b （面内磁化）の下面と、ＦＧＬ２７とＳＩＬ２２とを分離するスペーサ層２３との間に形成される。このように、ＦＧＬ２７は、ＰＭＡアシスト層２７ａおよびＦＧＬ２７によって構成される。ＰＭＡアシスト層２７ａは、ＦＧＬ２７ｂに対してアシスト効果を示し、その結果、ＦＧＬ２７の磁化が部分的に傾斜し、面に対して垂直な成分を含むようになる。それにより、低電流密度下におけるＦＧＬ発振が可能となる。
【００３９】
同様に、図２ｂに示す改良されたトップＳＩＬ構成は、図２Ｂに示す従来のトップＳＩＬ構造と比較して、向上した特性を有する。なお、全ての層はボトムＳＩＬ構造において用いたものを踏襲しており、それらを積層する順番のみが異なっている。
従来の積層体（図２Ｂ）は、主磁極２０の上に、シード層２１、ＦＧＬ２４、スペーサ層２３、ＳＩＬ２２、およびキャップ層２５をこの順に形成したものである。
【００４０】
一方、改良型（図２ｂ）においては、ＦＧＬ２４が、面内磁化を有する下部ＦＧＬ２７ｂと、下部ＦＧＬ２７ｂの上面の上に成膜された上部ＰＭＡアシスト層２７ａとからなる複合ＦＧＬ２７によって置き換えられている。比較データを得るために作製したＳＴＯ積層体において、シード層２１はＴａ／Ｒｕ／Ｃｕ、ＳＩＬ２２は［ＦｅＣｏ０．２／Ｎｉ０．６］15、ＦＧＬ２４およびＦＧＬ２７ｂはＦｅＣｏ、キャップ層２５はＲｕ／Ｔａ／Ｒｕ、ＰＭＡアシスト層２７ａは［ＦｅＣｏ０．２／Ｎｉ０．６］10である。ここで、ＦｅＣｏ層の厚さはいずれも０．２ｎｍであり、Ｎｉ層の厚さはいずれも０．６ｎｍである。ＳＩＬ２２の積層数は１５であり、ＰＭＡアシスト層２７ａの積層数は１０である。
【００４１】
ＦＧＬ発振をより向上させる理想的ケースを考えたときには、図３（Ａ）に示すように、２つのＰＭＡアシスト層を有し、一方をＦＧＬの下に、他方をＦＧＬの上面の上に形成することが望ましい。この図に示すように、理想的なボトムＳＩＬ型ＳＴＯ（ボトム型ＳＴＯ）構造は、シード層／ＳＩＬ／スペーサ層／第１のＰＭＡアシスト層／ＦＧＬ／第２のＰＭＡアシスト層／キャップ層なる構成を有する。第１および第２のＰＭＡアシスト層２７ａ，２７ｎは、互いに反対方向の磁化を有するとともに、それぞれ、ＦＧＬ２７ｂの表面と接触している。すなわち、ＰＭＡアシスト層２７ａが正の異方性磁界Ｈｋとして働くとともに、ＰＭＡアシスト層２７ｎが負の異方性磁界Ｈｋとして働くという条件下において、ＦＧＬ２７ｂの発振に対する、ＰＭＡアシスト層のアシスト効果が最大となる。
【００４２】
しかしながら、負の異方性磁界層を形成することは非常に困難であるため、複合ＦＧＬ３７は、現在の技術では実現不可能である。同様に、トップＳＩＬ構造（図３Ｂ）の複合ＦＧＬ３８も、現在の方法ではＰＭＡアシスト層２７ｎを形成することができないため、現実的ではない。それゆえ、ＦＧＬに作用する２つのＰＭＡ層から得られる付加的なアシスト効果を実現するためには、入手可能な材料と現実的な成膜方法を用いた代替アプローチが必要である。
【００４３】
以下、図３Ａおよび図３Ｂに示したＳＴＯ構造を変形させたことにより見出された、さらなる発見を開示する。これによれば、従来用いられている電流密度と同様の電流密度において、より強いＦＧＬ発振をもたらすという利点が得られる。すなわち、ＦＧＬの上面および下面の双方にＰＭＡアシスト層が隣接することとなるように第２のＰＭＡアシスト層を設けることにより、特定の周波数におけるＦＧＬ発振が、従来のＳＴＯ方式よりも低い電流密度下において達成される。このような性能向上を実現するために、２つのＰＭＡアシスト層をＳＴＯ構造内に含む様々な実施の形態を以下に記載する。
【００４４】
図４は、本発明の第１の実施の形態を表すものである。本実施の形態は、ボトム型ＳＴＯ（ＳＩＬを下部に配置）構造に関する。この構造において、ＦＧＬは、互いに反対方向の磁化を有しＦｅＣｏ等からなる２つの強磁性層が、Ｒｕ，Ｉｒ，またはＲｈからなる中間結合層によって分離されてなるシンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ）構成を有する。
【００４５】
本実施の形態例においては、主磁極２０の上に、シード層２１、ＳＩＬ２２、第１のスペーサ層２３、第１のＰＭＡアシスト層２７ａ、複合ＦＧＬ４０、第２のスペーサ層３１、第２のＰＭＡアシスト層３２、およびキャップ層２５が、この順に形成され、キャップ層２５の上にライトシールド２６が形成されている。ライトシールド２６は、トレーリングシールドであることが好ましい。
【００４６】
シード層２１は、Ｔａ／Ｒｕ／ＣｕまたはＴａ／Ｔｉ／Ｃｕなる構成であることが好ましいが、関連する米国特許出願第１２／５８９６１４号に記載の他の材料を用いてもよい。１つの態様として、基板と接触している下部Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍであり、好ましくは１ｎｍである。Ｔｉ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍであり、好ましくは３ｎｍである。Ｃｕ層の厚さは０．１ｎｍ〜１０ｎｍであり、好ましくは２ｎｍ〜３ｎｍである。ＳＴＯの全ての層は、アネルバ製のスパッタ蒸着装置等によって形成可能である。
【００４７】
関連する米国特許出願第１２／８０２０９１号に記載されているように、ＳＩＬ２２を堆積する前に、シード層に対して、プラズマ処理（ＰＴ：plasma treatment）および自然酸化（ＮＯＸ：natural oxidation ）を含む１以上の処理を施し、シード層２１の上面がより滑らかになるようにしてもよい。これにより、続いて堆積するＳＩＬ２２の（Ｃｏ／Ｎｉ）または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）なる層との間に、より良い界面が形成され、このことにより、ＳＩＬ２２の垂直磁気異方性がより高くなる。
【００４８】
リファレンス層としてのＳＩＬ２２は、ＰＭＡを有するとともに、（Ｃｏ／Ｎｉ）n 、または（Ｃｏ(100-z) Ｆｅz ／Ｎｉ）n なる積層構造を有する層であることが好ましい。ここで、ｚは０〜９０であることが好ましい。また、積層数ｎは５〜５０、好ましくは１０〜３０である。積層体であるＳＩＬ２２に含まれる複数のＣｏまたはＣｏＦｅ層のそれぞれの厚さ（ｔ１）は０．０５ｎｍ〜０．５であり、好ましくは０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍである。積層体であるリファレンス層に含まれる複数のＮｉ層のそれぞれの厚さ（ｔ２）は、０．２ｎｍ〜１ｎｍであり、好ましくは０．３５ｎｍ〜０．８ｎｍである。Ｎｉ層の厚さｔ２は、ＣｏまたはＣｏＦｅ層の厚さｔ１よりも大きいことが好ましい。隣接するＣｏ層とＮｉ層との間、またはＣｏＦｅ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には、ｔ２はｔ１の２倍であることがより好ましい。１つの態様として、ｔ１が０．２ｎｍ以下である場合には、ＣｏまたはＣｏＦｅ層は“最稠密”層であると考えられ、必ずしも［１１１］結晶方位を有する必要はない。
【００４９】
本発明はまた、積層構造を有するＳＩＬ２２が［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］n ，［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］n ，［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］n ，または［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］n によって表される構成を有する実施の形態も含む。ここで、ＮｉＣｏ層およびＮｉＦｅ層内のＣｏおよびＦｅの含有量はそれぞれ０〜５０原子％であり、積層数ｎは５〜３０である。
【００５０】
あるいは、ＳＩＬ２２は（ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ）n なる積層構造を有するものであってもよい。ここで、Ｒは、Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｍｇ，Ｍｎ，またはＣｕ等の金属である。ＣｏＦｅＲ合金におけるＲの含有量は１０原子％未満であり、ＣｏＦｅＲ層の厚さはｔ１である。
【００５１】
さらに他の実施の形態として、ＳＩＬは、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｐｔ（ｔ２）］n ，［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｐｄ（ｔ２）］n ，［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｉｒ（ｔ２）］n ，またはＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄ，ＴｂＦｅ（Ｃｏ）等の他のＰＭＡ材料によって構成されてもよい。
【００５２】
積層構造を有するＳＩＬまたはＰＭＡアシスト層内の各層は、低いパワーと高い圧力とを伴ったスパッタ蒸着法を用いて成膜することが重要である。これにより、例えば、Ｃｏ層とＮｉ層との間の界面、またはＣｏＦｅ層とＮｉ層との間の界面を保つことができる。不活性ガス圧を実質的に１００ｓｃｃｍより大きくなるまで増加させることは、保磁力Ｈｃの大幅強化において重要な役割を有することを発見した。よって、上記のように、（Ｃｏ／Ｎｉ）x ，（Ｃｏ(100-z) Ｆｅz ／Ｎｉ）x ，または他の積層体を成膜する間、１００ｓｃｃｍ〜５００ｓｃｃｍの超高圧Ａｒを用いることによって、保磁力を３０％以上増加させることができる。
【００５３】
さらに、前述のＮＯＸ処理を施すことによって、ＰＭＡ多層積層体内の１以上の（Ｃｏ／Ｎｉ）または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）層の表面を改良するようにしてもよい。これによれば、ＮＯＸ処理によって形成されたＯＳＬ（酸素サーフェクタント層）によって、複合シード層と（Ｃｏ／Ｎｉ）層または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）層との間の界面だけでなく、ＰＭＡ多層積層体内の隣り合う（Ｃｏ／Ｎｉ）層間、または隣り合う（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）層間の界面をも改良することができる。
【００５４】
ＳＩＬ２２の上には、非磁性スペーサ層２３（第１のスペーサ層）が形成されている。ＣＰＰーＧＭＲ用途の実施の形態の場合、スペーサ層２３は、Ｃｕ、または他の高導電性金属もしくは高伝導性金属合金によって構成され、その厚さは０．５ｎｍ〜３ｎｍである。本発明はまた、当業者であれば理解できるように、金属の経路を備えた誘電体層が２つの金属層（すなわちＣｕ層）に挟まれてなる電流狭窄経路（ＣＣＰ：current confining path）構造のスペーサ層２３を含むＧＭＲ用途の実施の形態にも適用可能である。あるいは、ＴＭＲ用途においては、スペーサ層２３は、ＭｇＯ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＺｎＯ，もしくは他の金属酸化物または金属窒化物などの誘電体材料によって構成される。
【００５５】
スペーサ層２３の上には、第１のＰＭＡアシスト層２７ａが形成されている。この第１のＰＭＡアシスト層２７ａは、上記した（Ｃｏ／Ｎｉ）m ，（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）m ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）m ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）m ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）m のうちの１つの積層構造を有する。ここで、ｍは５〜３０程度であり、５〜２０であることが好ましい。
【００５６】
第１のＰＭＡアシスト層２７ａの上には、厚さが１０ｎｍ〜２０ｎｍの下部ＦＧＬ２７ｂ、中間結合層２８、および厚さ５ｎｍ未満の上部ＦＧＬ２９からなる複合ＦＧＬ４０が設けられている。中間結合層２８には、厚さが０．７ｎｍ〜０．８ｎｍ程度のＲｕ等が用いられる。下部ＦＧＬ２７ｂおよび上部ＦＧＬ２９は、ＦｅＣｏ等からなることが好ましい。但し、ＦｅＣｏの合金等の大きい飽和磁化膜厚値Ｍｓｔを有する他の材料を用いてもよい。
【００５７】
複合ＦＧＬ４０の上面には、第２のスペーサ層３１が形成される。第２のスペーサ層３１はＣｕからなることが好ましい。
【００５８】
第２のスペーサ層３１の上には、第２のＰＭＡアシスト層３２が形成される。この第２のＰＭＡアシスト層３２は、第１のＰＭＡアシスト層２７ａについて述べた上記組成のうちの１つから選択される。ただし、積層数はｍではなく、ｐとする。例えば、第１のＰＭＡアシスト層２７ａは（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m 、第２のＰＭＡアシスト層３２は（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p である。ここで、積層数ｐは７〜１０である。あるいは、第２のＰＭＡアシスト層３２は、（Ｃｏ／Ｎｉ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）p ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）p ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）p のうちの１つであってもよい。
【００５９】
第１のＰＭＡアシスト層２７ａおよび第２のＰＭＡアシスト層３２は、複合ＦＧＬ４０に対してアシスト効果を有すると考えられる。第１のＰＭＡアシスト層２７ａは、複合ＦＧＬ４０における下部ＦＧＬ２７ｂの磁化（磁気モーメント）を垂直方向に向けて一部傾斜させる。第２のＰＭＡアシスト層３２は、スペーサ層３１によって上部ＦＧＬ２９から分離しているため、第２のＰＭＡアシスト層３２の上部ＦＧＬ２９に対する磁気的影響は、上部ＦＧＬ２９をその本来の面内磁化方向から部分的に傾斜させるには十分ではない場合もある。しかしながら、本実施の形態では、第２のＰＭＡアシスト層３２と上部ＦＧＬ２９との間の磁気結合が、上部ＦＧＬ２９の面内磁化の少なくとも一部を傾斜させて垂直成分を含むようにするのに足る大きさを有するものであることも予想される。
【００６０】
第２のＰＭＡアシスト層３２の上には、キャップ層２５が形成される。このキャップ層２５は、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ，Ｒｕ／Ｔａなる積層体、またはこの技術分野で用いられる他のキャップ層材料により構成される。ＳＴＯ積層体内の全ての層を形成した後、１５０°Ｃ〜３００°Ｃ、好ましくは１８０°Ｃ〜２５０°Ｃの温度下で、０．５時間〜５時間にわたってアニール処理を施す。
【００６１】
図５は、第２の実施の形態を表すものである。本実施の形態は、トップ型ＳＴＯ構造に関する。本実施の形態は、成膜の順番が異なっている点を除き、第１の実施の形態における層構成と同じである。具体的には、本実施の形態のＳＴＯ積層体は、シード層／第２のＰＭＡアシスト層／第２のスペーサ層／複合ＦＧＬ／第１のＰＭＡアシスト層／第１のスペーサ層／ＳＩＬ／キャップ層なる構成によって表される。ここで複合ＦＧＬ４１は、下部ＦＧＬ２９、上部ＦＧＬ２７ｂ、および中間結合層２８を含むシンセティック反強磁性（ＳｙＡＦ）構成の複合層である。なお、より薄い方の下部ＦＧＬ２９は第２のスペーサ層３１の上面と接触し、より厚い方の上部ＦＧＬ２７ｂは第１のＰＭＡアシスト層２７ａと接触する。第１の実施の形態と同様に、第１のＰＭＡアシスト層２７ａおよび第２のＰＭＡアシスト層３２は、それぞれ、上部ＦＧＬ２７ｂおよび下部ＦＧＬ２９の磁化を、積層面と垂直な方向に一部傾斜させ、それにより、ＰＭＡアシスト層が１つの場合と比べて、より低い電流密度下においてＦＧＬ４１の発振状態を促進することができる。
【００６２】
図６は、第３の実施の形態を表すものである。本実施の形態は、第１の実施の形態を変形したものである。具体的には、複合（ＳｙＡＦ）ＦＧＬ４０に代えて、厚さ１０ｎｍ〜２０ｎｍの単一のＦＧＬ２７ｂが設けられている。また、第２のＰＭＡアシスト層３２に代えて、シンセティックＰＭＡ構造４２が設けられている。このシンセティックＰＭＡ構造４２は、第２のスペーサ層３１と接触する下部ＰＭＡ層３３（第２のＰＭＡ層）と、この下部ＰＭＡ層３３と逆向きの磁気モーメントを有するとともにキャップ層２５の下面と接触する上部ＰＭＡ層３２（第１のＰＭＡ層）と、上部ＰＭＡ層３２と下部ＰＭＡ層３３との間に形成された中間結合層３４とから構成されている。ここで、上部ＰＭＡ層３２および下部ＰＭＡ層３３が有する互いに逆向きの磁化方向は、中間結合層３４を介した反強磁性結合によって生じるものであり、下部ＰＭＡ層３３がもともと負の異方性磁界Ｈｋ値を有しているわけではない。
【００６３】
中間結合層３４はＲｕ，Ｉｒ，またはＲｈのうちのいずれかである。下部ＰＭＡ層３３は、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q ，（Ｃｏ／Ｎｉ）q ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）q ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）q ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）q ，または（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）q なる組成を有する。ここで積層数ｑは３〜６である。上部ＰＭＡ層３２は、上記図４の場合と同様の組成を有し、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p ，（Ｃｏ／Ｎｉ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）p ，（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）p ，（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）p ，または（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）p のうちの１つである。その積層数ｐは７〜１０（但し、ｐ＞ｑ）である。したがって、上部ＰＭＡ層３２（第１のＰＭＡ層）は下部ＰＭＡ層３３（第２のＰＭＡ層）よりも厚い。なお、上部ＰＭＡ層３２は（Ｃｏ／Ｐｔ）s または（Ｃｏ／Ｐｄ）s なる積層構造（積層数ｓは１より大きな整数）であってもよい。
【００６４】
本実施の形態では、基体としての主磁極２０の上に、シード層２１、ＳＩＬ２２、第１のスペーサ層２３、第１のＰＭＡアシスト層２７ａ、ＦＧＬ２７ｂ、第２のスペーサ層３１、シンセティックＰＭＡ構造４２（複合層である第２のＰＭＡアシスト層）、およびキャップ層２５がこの順に形成されている。第１のＰＭＡアシスト層２７ａと、（第２のスペーサ層３１の厚さにもよるが）下部ＰＭＡ層３３の双方が、ＦＧＬ２７ｂの磁化を積層面と垂直な方向に一部傾斜させるアシスト効果をＦＧＬ２７ｂに付与すると考えられる。ここで、上部ＰＭＡ層３２は、下部ＰＭＡ層３３の磁化配向を確実なものにするために用いられる。
【００６５】
図７は、第４の実施の形態を表すものである。本実施の形態は、トップ型ＳＴＯ構造に関する。本実施の形態は、成膜の順番が異なっている点を除き、第３の実施の形態における層構成と同じである。具体的には、本実施の形態のＳＴＯ積層体は、基体としての主磁極２０の上に、シード層２１、複合層である第２のＰＭＡアシスト層４３、第２のスペーサ層３１、ＦＧＬ２７ｂ、第１のＰＭＡアシスト層２７ａ、第１のスペーサ層２３、ＳＩＬ２２、およびキャップ層２５がこの順に形成されている。複合層である第２のＰＭＡアシスト層４３は、シード層２１の上面と接触する下部ＰＭＡ層３２（第１のＰＭＡ層）と、中間結合層３４と、第２のスペーサ層３１と接触する上部ＰＭＡ層３３（第２のＰＭＡ層）とを有する。
【００６６】
第３の実施の形態と同様に、第１のＰＭＡアシスト層２７ａおよび上部ＰＭＡ層３３によって、ＦＧＬ２７ｂの磁化が積層面と垂直な方向に向かって一部傾斜する。これにより、ＰＭＡアシスト層が１つの場合と比べて、より低い電流密度下においてＦＧＬ２７ｂの発振状態を促進することができる。なお、下部ＰＭＡ層３２は上部ＰＭＡ層３３の磁化配向を確実なものにするためだけに用いられる。
【００６７】
当然ながら、すべての実施の形態において、ＦＧＬ２７ｂは、積層面と垂直な方向に流れる電流によって十分なスピントルクが印加されたときに容易軸（図示せず）に沿った方向から逆向き方向へと切り替わることができる磁気モーメントを有し、これにより、発振器層として機能する。ＳＩＬ２２は、ＦＧＬ２７ｂと強磁性結合している。ＳＩＬ積層体の中のＣｏ含有量は、ＰＭＡアシスト層積層体の中のＣｏ含有量とは異なっていてもよく、それによって、上記の各実施の形態によってもたらされる利点が損なわれることはない。なお、積層構造を有するＰＭＡアシスト層は、これとは別のシード層が存在しなくてもＰＭＡを確立することができ、また、積層構造を有するＳＩＬ２２における［１１１］配向以外の結晶構造を有してもよい。
【００６８】
上記の各実施の形態において、ＳＴＯ構造の形成方法は、キャップ層２５の成膜後のアニール工程を含む。アニール処理は、１５０°Ｃ〜３００°Ｃ、好ましくは１８０°Ｃ〜２５０°Ｃの温度下で、０．５時間〜５時間にわたって行う。このようなアニーリングによって保磁力Ｈｃを大幅に増加させることができる。その後、ＳＴＯ構造を、従来のリソグラフィおよびエッチング技術を含む周知の方法によってパターニングし、基板（図示せず）の上に複数のＳＴＯ素子を形成する。
【００６９】
［実験例１］
本発明の第１の実施の形態に係るＳＴＯ構造の一例を作製した。その層構成は以下の通りである。
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）n ／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）m ／ＣｏＦｅ１５／Ｒｕ０．８／ＦｅＣｏ３／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）p ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００７０】
ここで、各元素または合金の後ろの数字は、その厚さをナノメートル（ｎｍ）で表したものである。以下の実験例においても同様である。また、ｐ＝５，ｍ＝１０，ｎ＝７とした。シード層は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成であり、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕはキャップ層である。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p は第２のＰＭＡアシスト層であり、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m は第１のＰＭＡアシスト層である。ＦｅＣｏ１５およびＦｅＣｏ３は、それぞれ、シンセティック構成の複合ＦＧＬにおける下部ＦＧＬおよび上部ＦＧＬである。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n はＳＩＬである。
【００７１】
［実験例２］
本発明の第２の実施の形態に係るＳＴＯ構造の一例を作製した。その層構成は以下の通りである。
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）p ／Ｃｕ２／ＣｏＦｅ３／Ｒｕ０．８／ＦｅＣｏ１５／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）m ／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００７２】
ここで、ｐ＝１０，ｍ＝７，ｎ＝１５とした。シード層は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成であり、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕはキャップ層である。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p は第２のＰＭＡアシスト層であり、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m は第１のＰＭＡアシスト層である。ＦｅＣｏ１５およびＦｅＣｏ３は、それぞれ、シンセティック構成の複合ＦＧＬにおける上部ＦＧＬおよび下部ＦＧＬである。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n はＳＩＬである。
【００７３】
［実験例３］
本発明の第３の実施の形態に係るＳＴＯ構造の一例を作製した。その層構成は以下の通りである。
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）n ／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）m ／ＦｅＣｏ１５／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）q ／Ｒｕ０．８／（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００７４】
ここで、ｐ＝１０，ｑ＝５，ｍ＝１０，ｎ＝１５とした。シード層は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成である。他方、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p および（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q は、それぞれ、シンセティック構成の第２のＰＭＡアシスト層における上部ＰＭＡ層および下部ＰＭＡ層である。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m は第１のＰＭＡアシスト層であり、ＦｅＣｏ１５はＦＧＬである。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n はＳＩＬであり、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなる積層はキャップ層である。
【００７５】
［実験例４］
本発明の第４の実施の形態に係るＳＴＯ構造の一例を作製した。その層構成は以下の通りである。
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）p ／Ｒｕ０．８／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）q ／Ｃｕ２／ＣｏＦｅ１５／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）m ／Ｃｕ２／（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．６）n ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００７６】
ここで、ｐ＝１０，ｑ＝５，ｍ＝１０，ｎ＝１５とした。シード層は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成である。他方、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）p および（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）q は、それぞれ、シンセティック構成の第２のＰＭＡアシスト層における下部ＰＭＡ層および上部ＰＭＡ層である。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）m は第１のＰＭＡアシスト層であり、ＦｅＣｏはＦＧＬであり、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）n はＳＩＬであり、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕはキャップ層である。
【００７７】
本発明が従来のＳＴＯ構造よりも優れている点は、ＦＧＬの上面および下面の双方に隣接してＰＭＡ層を形成することによって、ＦＧＬに０または１つのＰＭＡアシスト層しかを設けていなかった従来の構造に比べて、ＦＧＬ発振を達成する上でより大きなアシスト効果を生じる点である。すなわち、十分小さい飽和磁化膜厚Ｍｓｔ値を有するＦＧＬにおいて発振を確立するために従来用いられていたのと同じ電流密度下において、より大きな面内磁気モーメントを有するＦＧＬを発振状態に至らせることができる。加えて、ＦＧＬは、ＭＡＭＲ用途における書き込み処理をアシストする磁束（交流磁界）をより多く供給することができる。
【００７８】
もう１つの利点は、ＦＧＬの飽和磁化膜厚Ｍｓｔの組成が同じであると仮定すると、本発明は、隣接するＰＭＡアシスト層が０または１つである従来の構造よりも低い電流密度（より低いバイアス電圧）下において発振を生じさせることができる点である。電流密度が低下すると、電力使用量が低下し、信頼性が向上する。これは、ＴＭＲ方式においてスペーサ層が金属酸化物である場合に顕著である。従来のＳＴＯ構造では、比較的高い電流密度によって破壊電圧を簡単に超えてしてしまう場合があるからである。
【００７９】
本発明を、その好適な実施の形態を参照しながら具体的に示し説明したが、当業者であれば理解できるように、その態様や詳細については、本発明の精神と範囲から離れない限りにおいて種々に変更可能である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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