(57)【要約】【課題】  磁気デバイスにおける垂直磁気異方性と保持力とを向上させる。【解決手段】  ＭＡＭＲ構造２０は、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造（例えば、Ｍ１はＴｉ、Ｍ２はＣｕ）の複合シード層２２の上に、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X等のＰＭＡ多層膜２３を有する。複合シード層２２とＰＭＡ多層膜２３との間の界面、および、ＰＭＡ多層膜２３の積層構造内の各一対の隣接層間における１以上の界面の一方または双方に界面活性層を形成する。超高圧アルゴンガスを用いたＰＭＡ多層膜２３の成膜により、各［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X間の界面を損傷するエネルギーを抑える。低パワープラズマ処理および自然酸化処理の一方または両方を複合シード層２２に施すことにより、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X多層膜との界面を均一化する。各［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X層間に酸素界面活性層を形成してもよい。保磁力は、１８０〜４００°Ｃ程度の熱処理によっても増加する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体の上に形成され、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造（Ｍ１はｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属または合金、Ｍ２は前記Ｍ１とは異なる金属）を有する複合シード層と、
前記複合シード層の上に形成され、［Ｃｏ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］X、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］X、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］X、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］X、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Xにより表される積層構造（ｘは５から５０の整数であり、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＲ層またはＣｏ層は、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層またはＮｉＣｏ層よりも薄い）を有するスピン注入層と、
界面活性層と
を含み、
前記複合シード層と前記スピン注入層との間に第１の界面が形成されると共に、前記スピン注入層の前記積層構造における各一対の隣接する層間に第２の界面が形成され、
前記界面活性層が、前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成されている
マイクロ波アシスト磁気記録構造。
【請求項２】
さらに、
前記スピン注入層の上に順次形成された、界面層と、非磁性スペーサ層と、磁界生成層と、キャップ層とを含む
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録構造。
【請求項３】
前記複合シード層の前記Ｍ１がチタン（Ｔｉ）、前記Ｍ２が銅（Ｃｕ）であり、前記Ｔａ層、前記Ｔｉ（＝Ｍ１）層および前記Ｃｕ（＝Ｍ２）層が、それぞれ０．５ｎｍから５ｎｍの厚さを有する
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録構造。
【請求項４】
前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成された前記界面活性層が、１原子層以下の厚さを有する酸素層より構成される
請求項１に記載のマイクロ波アシスト磁気記録構造。
【請求項５】
前記非磁性スペーサ層が、ＧＭＲ構造を構築するための銅（Ｃｕ）を含み、または、ＴＭＲ構造を構築するためのＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＺｎＯもしくはＴｉＯｘからなり、
前記界面層が、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅからなり、
前記磁界生成層が、ＦｅＣｏを含む
請求項２に記載のマイクロ波アシスト磁気記録構造。
【請求項６】
基体の上に形成され、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造（Ｍ１はｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属または合金、Ｍ２は前記Ｍ１とは異なる金属）を有する複合シード層と、
前記複合シード層の上に形成され、［Ｃｏ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］X、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］X、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］X、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］X、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Xにより表される積層構造（ｘは５から３０の整数であり、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＲ層またはＣｏ層は、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層またはＮｉＣｏ層よりも薄い）を有するリファレンス層と、
界面活性層と
を含み、
前記複合シード層と前記リファレンス層との間に第１の界面が形成されると共に、前記リファレンス層の前記積層構造における各一対の隣接する層間に第２の界面が形成され、
前記界面活性層が、前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成されている
磁気ランダムアクセスメモリ構造。
【請求項７】
さらに、
前記リファレンス層の上に順次形成された、第１の界面層と、トンネルバリア層と、第２の界面層と、フリー層と、キャップ層とを含む
請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリ構造。
【請求項８】
前記複合シード層の前記Ｍ１がチタン（Ｔｉ）、前記Ｍ２が銅（Ｃｕ）であり、前記Ｔａ層、前記Ｔｉ（＝Ｍ１）層および前記Ｃｕ（＝Ｍ２）層が、それぞれ０．５ｎｍから５ｎｍの厚さを有する
請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリ構造。
【請求項９】
前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成された前記界面活性層が、１原子層以下の厚さを有する酸素層より構成される
請求項６に記載の磁気ランダムアクセスメモリ構造。
【請求項１０】
前記トンネルバリア層が、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＺｎＯまたはＴｉＯｘからなり、
前記第１および第２の界面層が、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ、またはＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅからなる
請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ構造。
【請求項１１】
前記フリー層が、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］S、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］S、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］S、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］S、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］S、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Sにより表される積層構造（ｓは３から１０の整数であり、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＲ層またはＣｏ層は、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層、またはＮｉＣｏ層よりも薄い）を有する
請求項７に記載の磁気ランダムアクセスメモリ構造。
【請求項１２】
再生ヘッドのセンサに隣接して形成されたハードバイアス構造であって、
基体の上に形成され、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造（Ｍ１はｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属または合金、Ｍ２は前記Ｍ１とは異なる金属）を有する複合シード層と、
前記複合シード層の上に形成され、［Ｃｏ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］X、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］X、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］X、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］X、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Xにより表される積層構造（ｘは５から３０であり、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＲ層またはＣｏ層は、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層またはＮｉＣｏ層よりも薄い）を有するハードバイアス層と、
界面活性層と
を含み、
前記複合シード層と前記ハードバイアス層との間に第１の界面が形成されると共に、前記ハードバイアス層の前記積層構造における各一対の隣接する層間に第２の界面が形成され、
前記界面活性層が、前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成されている
ハードバイアス構造。
【請求項１３】
さらに、
前記ハードバイアス層の上に形成されたキャップ層を含む
請求項１２に記載のハードバイアス構造。
【請求項１４】
前記複合シード層の前記Ｍ１がチタン（Ｔｉ）、前記Ｍ２が銅（Ｃｕ）であり、前記Ｔａ層、前記Ｔｉ（＝Ｍ１）層および前記Ｃｕ（＝Ｍ２）層が、それぞれ０．５ｎｍから５ｎｍの厚さを有する
請求項１２に記載のハードバイアス構造。
【請求項１５】
前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成された前記界面活性層が、１原子層以下の厚さを有する酸素層より構成される
請求項１２に記載のハードバイアス構造。
【請求項１６】
基体の上に形成され、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造（Ｍ１はｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属または合金、Ｍ２は前記Ｍ１とは異なる金属）を有する複合シード層と、
前記複合シード層の上に形成され、［Ｃｏ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］X、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］X、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］X、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］X、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Xにより表される積層構造（ｘは２０から６０の整数であり、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＲ層またはＣｏ層は、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層またはＮｉＣｏ層よりも薄い）を有する高垂直磁気異方性多層膜と、
界面活性層と
を含み、
前記複合シード層と前記高垂直磁気異方性多層膜との間に第１の界面が形成されると共に、前記高垂直磁気異方性多層膜の前記積層構造における各一対の隣接する層間に第２の界面が形成され、
前記界面活性層が、前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成されている
垂直磁気媒体。
【請求項１７】
さらに、
前記高垂直磁気異方性多層膜の上に形成されたキャップ層を含む
請求項１６に記載の垂直磁気媒体。
【請求項１８】
前記複合シード層が、最大で１０ｎｍの厚さを有するＴａ／Ｔｉ／Ｃｕなる構造を有する
請求項１６に記載の垂直磁気媒体。
【請求項１９】
前記第１の界面および１つ以上の前記第２の界面の一方または双方に形成された前記界面活性層が、１原子層以下の厚さを有する酸素層より構成される
請求項１６に記載の垂直磁気媒体。
【請求項２０】
高垂直磁気異方性を有する磁気デバイスの製造方法であって、
基体の上に、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造（Ｍ１はｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属または合金、Ｍ２は前記Ｍ１とは異なる金属）を有する複合シード層を成膜する工程と、
不活性ガスおよび２００ワット未満のパワーを含むプラズマ処理、および、前記複合シード層の前記上面に直接または前記プラズマ処理を経て行われる自然酸化処理のうち、少なくとも一方を、前記複合シード層の前記上面に施すことにより、前記複合シード層の上面の平滑性を改善する工程と、
前記複合シード層の上に、１００ｓｃｃｍよりも高い超高圧の不活性ガスを用いて、［Ｃｏ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］X、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］X、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］X、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］X、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Xにより表される積層構造（ｘは５から５０の整数であり、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層またはＮｉＣｏ層の第１の厚さは、Ｃｏ層、ＣｏＦｅ層またはＣｏＦｅＲ層の第２の厚さよりも厚く、前記ＮｉＦｅ層におけるＦｅ含有量および前記ＮｉＣｏ層におけるＣｏ含有量は０から５０［ａｔ％］）を有する高垂直磁気異方性多層膜を成膜する工程と
を含む磁気デバイスの製造方法。
【請求項２１】
さらに、
前記高垂直磁気異方性多層膜の上にキャップ層を形成する工程を含む
請求項２０に記載の磁気デバイスの製造方法。
【請求項２２】
さらに、
キャップ層を形成したのち、少なくとも１８０°Ｃの温度により前記高垂直磁気異方性多層膜を熱処理する工程を含む
請求項２０に記載の磁気デバイスの製造方法。
【請求項２３】
前記磁気デバイスがマイクロ波アシスト磁気記録構造であり、
スピン注入層としての前記高垂直磁気異方性多層膜の上に、界面層と、非磁性スペーサ層と、磁界生成層と、キャップ層とを順次形成する工程をさらに含み、
前記熱処理の温度が１８０°Ｃから２５０°Ｃである
請求項２２に記載の磁気デバイスの製造方法。
【請求項２４】
前記磁気デバイスが磁気ランダムアクセスメモリ構造であり、
リファレンス層としての前記高垂直磁気異方性多層膜の上に、第１の界面層と、トンネルバリア層と、第２の界面層と、フリー層と、キャップ層とを順次形成する工程をさらに含み、
前記熱処理の温度が２２０°Ｃから４００°Ｃである
請求項２２に記載の磁気デバイスの製造方法。
【請求項２５】
前記磁気デバイスがハードバイアス構造であり、
ハードバイアス層としての前記高垂直磁気異方性多層膜の上にキャップ層を形成する工程をさらに含み、
前記熱処理の温度が１８０°Ｃから２５０°Ｃである
請求項２２に記載の磁気デバイスの製造方法。
【請求項２６】
前記磁気デバイスが垂直磁気媒体であり、
前記高垂直磁気異方性多層膜の上にキャップ層を形成する工程をさらに含み、
前記熱処理の温度が１８０°Ｃから４００°Ｃである
請求項２２に記載の磁気デバイスの製造方法。
【請求項２７】
さらに、
前記高垂直磁気異方性多層膜の内部に、少なくとも１つの酸素界面活性層を形成する工程を含む
請求項２２に記載の磁気デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）を有する磁気積層構造に係わり、特に、優れた性能を有するように保磁力Ｈｃを増加させることが可能なマイクロ波アシスト磁気記録構造、磁気ランダムアクセスメモリ構造、ハードバイアス構造、垂直磁気媒体および磁気デバイスの製造方法に関する。
【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、トンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Tunneling Magnetoresistance）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効果（ＧＭＲ：Giant Magnetoresistance）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。また、センサ構造の場合、ＭＴＪ素子は２つのシールド間に形成され、ハードバイアス層がこのＭＴＪ素子に隣接して設けられている。これにより、フリー層の磁化を安定させるための縦バイアスがもたらされる。
【０００４】
垂直磁気異方性（以下、単にＰＭＡという。））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。ＰＭＡを有するスピントロニック素子は、熱的安定性および低スイッチング電流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、ＰＭＡ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。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、同一磁界を用いた場合において、面内磁気デバイスのそれよりも低いスイッチング電流を実現する可能性を有していることが予測されている。
【０００５】
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。一般的に、ＰＭＡを示す材料は、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している。したがって、ＰＭＡを有する磁気デバイスは、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。ＰＭＡを有するＧＭＲ積層構造におけるスピントランスファースイッチングについては、非特許文献３〜７に記載されているように、種々の検討がなされている。しかしながら、従来技術に記載のＧＭＲ素子におけるスイッチング電流密度は、一般的に１０ミリアンペア／平方センチメートルを超えている。これは、低スイッチング電流のＭＲＡＭにとっては高過ぎる値である。また、約１％というＭＲ比は、ＭＲＡＭの読み出し信号としては小さすぎる値である。したがって、ＰＭＡを有するＭＴＪ素子のスピントランスファースイッチング性能を向上させることは、高性能なＭＲＡＭ用途にとって重要なことである。
【０００６】
非特許文献８は、ＴｂＣｏＦｅを有するＰＭＡ構造を用いたＭＴＪ素子におけるスピントランスファースイッチングについて報告している。ただし、ＰＭＡ層としてＴｂＣｏＦｅやＦｅＰｔを用いたＭＴＪ素子の場合、十分に高いＰＭＡを得るには厳密な熱処理条件が要求され、デバイス集積化の観点から高温はふさわしくない。
【０００７】
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。同様に、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／ＰｄおよびＣｏ／Ｉｒは、スピントロニック素子用の優れたＰＭＡ材料とはなり得ない。さらに、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、ＰＭＡを得ることを目的とした場合、Ｃｏ／Ａｕは非実用的である。
【０００８】
ＰＭＡ材料は、非特許文献２に記載されているように、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。
【０００９】
図１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記録ヘッドの要部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（ＳＴＯ）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ＰＭＡ層１４ｂとを含む。なお、図１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。
【００１０】
この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ＰＭＡ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】
他の先行技術文献において、特許文献１は、ＣｕまたはＴａとＴｉとの合金より選ばれるシード層を開示している。また、垂直磁気記録媒体の下地層における平滑性を向上させるための熱処理について記載している。
【００１２】
特許文献２は、不連続な磁気相部分を非磁気相部分により囲んでなる複合体により構成されたラミネート層を備えた垂直磁気媒体を開示している。また、この作製方法は、複合層を熱処理し、または詳細不明の表面処理を行う工程を含んでいる。
【００１３】
特許文献３は、垂直磁気記録媒体において、軟磁性下地層と結晶性中間層との間に用いられる、ＴａまたはＣｕよりなるシード層を開示している。
【００１４】
特許文献４は、積層垂直磁気記録媒体における、ＴｉまたはＣｕよりなるシード層を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０１７０３２９号明細書
【特許文献２】米国特許第７，１２８，９８７号明細書
【特許文献３】米国特許第７，１７５，９２５号明細書
【特許文献４】米国特許第７，２７９，２４０号明細書
【非特許文献】
【００１６】
【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
【非特許文献４】H. Meng等著、「Low critical current for spin transfer in magnetic tunnel junctions」、J. Appl. Phys.、２００６年、９９、０８Ｇ５１９
【非特許文献５】X. Jiang等著、「Temperature dependence of current-induced magnetization switching in spin valves with a ferromagnetic CoGd free layer」、Phys. Rev. Lett.、２００６年、９７、２１７２０２
【非特許文献６】T. Seki等著、「Spin-polarized current-induced magnetization reversal in perpendicularly magnetized L10-FePt layers」、Appl. Phys. Lett.、２００６年、８８、１７２５０４
【非特許文献７】S. Mangin等著、「Reducing the critical current for spin-transfer switching of perpendicularly magnetized nanomagnets」、Appl. Phys. Lett.、２００９年、９４、０１２５０２
【非特許文献８】M. Nakayama等著、「Spin transfer switching in TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe magnetic tunnel junctions with perpendicular magnetic anisotropy」、J. Appl. Phys.、２００８年、１０３、０７Ａ７１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、上述した文献はいずれも、従来技術において一般的に用いられる、より高コストの［Ｃｏ／Ｐｔ］Yまたは［Ｃｏ／Ｐｄ］Y積層構造の代わりとなる、高性能かつ低コストの垂直磁気異方性を有する積層構造について示唆していない。ＰＭＡ材料が様々な磁気デバイス用途において広く受け入れられるようにするために、高いＰＭＡおよび高い保磁力Ｈｃを有する低コストの積層構造が必要とされている。
【００１８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、シード層上に高い保磁力Ｈｃを有する積層構造を積層して多層構造を形成することにより、ＭＲＡＭ、ＭＡＭＲおよびセンサ等の磁気デバイスにおいて、［Ｃｏ／Ｐｔ］Yや［Ｃｏ／Ｐｄ］Yを用いた従来の積層構造の代わりとなる高性能かつ低コストのＰＭＡ積層構造を有するマイクロ波アシスト磁気記録構造、磁気ランダムアクセスメモリ構造、ハードバイアス構造および垂直磁気媒体、ならびにそのようなＰＭＡ積層構造を有する磁気デバイスの製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明の他の目的は、従来の他のＰＭＡ構造により得られるものよりも高いスピン偏極効果と大きな飽和磁気ボリューム（単位面積当たりの飽和磁化膜厚）Ｍｓｔとを有する、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X積層構造を有するマイクロ波アシスト磁気記録構造、磁気ランダムアクセスメモリ構造、ハードバイアス構造および垂直磁気媒体、ならびにそのようなＰＭＡ積層構造を有する磁気デバイス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】
【００２０】
本発明の実施の形態によれば、上記目的は、複合シード層を有する積層構造により達成される。この複合シード層は、平滑性を向上させるべく改質された上面と、その上に形成される［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］Xなる多層膜との間の優れた界面とを有する。但し、ｘ＝５〜５０、ｚは１０〜１００［ａｔ％（原子百分率）］）である。複合シード層は、好ましくは「Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ」構造を有し、下部Ｔａ層は基体に接し、上部Ｃｕ層は最上層である。
【００２１】
複合シード層は、より滑らかな表面を形成すべく、例えば、不活性ガスを用いたプラズマ処理（ＰＴ）が施され、その表面上に［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜が成膜される。他の例として、複合シード層の上面にプラズマ処理を施したのち、薄い酸素界面活性（ＯＳＬ：Oxygen Surfactant Layer）層を形成するようにしてもよい。さらに他の例として、複合シード層の上面に自然酸化処理（ＮＯＸ）のみを行うことにより滑らかな表面を形成し、その表面の上に［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜を成膜するようにしてもよい。
【００２２】
また、低いエネルギーと高い圧力とを含む成膜プロセスを採用することにより、Ｃｏ層またはＣｏＦｅ層とＮｉ層の表面に作用するエネルギーが最小限に抑えられ、これによりＰＭＡ多層膜におけるＣｏ層とＮｉ層との間、またはＣｏＦｅ層とＮｉ層との間の界面が改善される。その結果、その後に成膜される層との界面が改善される。
【００２３】
さらに、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜における１つ以上のＣｏ／Ｎｉ層またはＣｏＦｅ／Ｎｉ層に対して、次のＣｏ／Ｎｉ層またはＣｏＦｅ／Ｎｉ層を成膜する前に自然酸化処理（ＮＯＸ）を行うことにより、酸素界面活性層（ＯＳＬ）を形成するようにしてもよい。
【００２４】
第１の実施の形態では、ＭＡＭＲ構造の中に、下側のシード層と、上側の［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜とを含む積層構造が形成される。このシード層の上面には、プラズマ処理または酸化処理を用いた改質処理により、酸素界面活性層が形成されている。さらに、例えば、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜の内部に、１つ以上の酸素界面活性層を形成するようにしてもよい。必要により、シード層の上以外の、ＰＭＡ多層膜において、１つ以上の酸素界面活性層を形成してもよい。上記ＭＡＭＲ構造は、例えば、「シード層／ＰＭＡ多層膜／界面層／スペーサ層／磁界生成層（ＦＧＬ）／キャップ層」なる構造を有する。ＧＭＲ構造の場合、界面層および磁界生成層は、例えばＦｅＣｏより構成され、スペーサ層は例えば銅（Ｃｕ）より構成される。ＴＭＲ構造の場合には、スペーサ層として、例えばＭｇＯ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，またはＺｎＯ等より構成されたトンネルバリア層を有する。
【００２５】
第２の実施の形態は、第１の実施の形態における「シード層／ＰＭＡ層」積層構造を、例えばＭＲＡＭデバイスに用いたものである。この積層構造は、例えばＭＴＪ構造を有する場合、「シード層／ＰＭＡ多層膜／界面層／スペーサ層／界面層／フリー層／キャップ層」なる構造を有する。スペーサ層は、ＭｇＯ等からなるトンネルバリア層である。シード層は下部電極である基体に接し、キャップ層はビット線またはワード線に接していることが好ましい。
【００２６】
第３の実施の形態は、「シード層／ＰＭＡ層」積層構造を、磁気センサにおけるセンサ積層体（例えばＭＴＪ素子）に隣接するハードバイアス構造に適用したものである。［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜において、ｘ＝１０〜４０（または５〜３０）とすることにより、所望のＭｒｔ（残留磁化（Ｍｒ）と磁性層の膜厚（ｔ）との積）が得られるようにすることが好ましい。この実施の形態では、キャップ層がＰＭＡ多層膜の上面に直接形成される。
【００２７】
第４の実施の形態は、「シード層／ＰＭＡ多層膜」積層構造を磁気媒体に適用したものである。「シード層／ＰＭＡ層」積層構造は、下地層または基体の上に成膜される。また、第３の実施の形態と同様に、ＰＭＡ多層膜の上面の上に形成されたキャップ層を有する。この実施の形態では、複合シード層における例えばＴｉ層の厚さを増加させることにより、さらに高い保磁力Ｈｃが得られる。ＰＭＡ多層膜として、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］Xなる多層膜を作用する場合、ｘの範囲は２０〜６０程度である。
【００２８】
なお、本出願は、本出願人による米国特許出願公開第２００９／０２５７１５１号、米国特許出願第１２／４５６９３５号、および米国特許出願第１２／５８９６１４号に関連するものであり、これらのすべてを本出願に組み入れて考慮すべきである。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造の複合シード層の上に、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X等の構造をもつスピン注入層（または、リファレンス層、ハードバイアス層、高ＰＭＡ多層膜）を形成し、複合シード層とスピン注入層との間の第１の界面、および、スピン注入層の積層構造内の各一対の隣接層間における１以上の第２の界面のうち、一方または双方に界面活性層を形成するようにしたので、高い垂直磁気異方性（高ＰＭＡ）を得ることができる。また、よりコスト高な［Ｃｏ／Ｐｔ］Y系や［Ｃｏ／Ｐｄ］Y系と比較して、各種デバイス用途においてそれら以上の性能をもたらすことが可能な高い保磁力Ｈｃを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の交流磁界アシスト垂直ヘッド構造を有するＭＡＭＲ記録ヘッドの模式図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るＭＡＭＲデバイスに形成されたシード層／ＰＭＡ層積層構造の断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係るＭＲＡＭデバイスに形成されたシード層／ＰＭＡ層積層構造の断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係るハードバイアス構造としてセンサに形成されたシード層／ＰＭＡ層積層構造の断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る磁気媒体の一部として形成されたシード層／ＰＭＡ層積層構造の断面図である。
【図６】［Ｃｏ／Ｎｉ］X多層膜のシード層としてのＴａ／Ｒｕ／ＣｕをＴａ／Ｔｉ／Ｃｕに置き換えた場合に保磁力Ｈｃが大幅に増加することを示すＭＨ曲線グラフである。
【図７】本発明の実施の形態において、低パワー・高ガス圧の［Ｃｏ／Ｎｉ］Xの成膜処理を用いた場合に保磁力Ｈｃが大幅に増加することを示すＭＨ曲線グラフである。
【図８】本発明の実施の形態に係る方法において、プラズマ処理および自然酸化処理の少なくとも一方によるシード層の表面改質により、続いて成膜される［Ｃｏ／Ｎｉ］X多層膜の保磁力Ｈｃの値が増加することを示すＭＨ曲線グラフである。
【図９】本発明の実施の形態に係る方法において、［Ｃｏ／Ｎｉ］X多層膜の内部に酸素の界面活性層を形成することによってその保磁力Ｈｃの値が増加することを示すＭＨ曲線グラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る方法において、シード層／［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層構造に対する熱処理温度を増加させることにより保磁力Ｈｃの値が増加することを示すＭＨ曲線グラフである。
【図１１】本発明の実施の形態に係るシード層／ＰＭＡ層なる積層構造を有するトップ型ＳＴＯを備えたスピントルク発振器構造を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【００３２】
本発明の実施の形態に係る積層構造は、各実施の形態において説明されるように、シード層と、この上部の［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜とを備え、マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）、磁気メモリ（ＭＲＡＭ）、センサおよび磁気媒体等の磁気デバイスにおいて高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ）をもたらすものである。以下に説明する実施の形態はまた、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜における保磁力Ｈｃの値を増加させる各種方法を提供するものである。
【００３３】
本発明の実施の形態は、例えば、ＭＡＭＲ用のボトム型のスピントルク発振器（ＳＴＯ）や、ＭＲＡＭ用のボトムスピンバルブ構造に用いられる場合を示している。ただし、本実施の形態において説明される高いＰＭＡを有する積層構造は、例えば、トップ型のスピントルク発振器や、ＭＲＡＭデバイスにおけるトップスピンバルブ構造またはデュアルスピンバルブ構造に導入することもできる。
【００３４】
本出願人は、米国特許出願公開第２００９／０２５７１５１号明細書において、ＭＲＡＭの用途としてのＰＭＡを有するＣｏ／Ｎｉ積層構造の利点について開示している。［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層構造（ｘ＝５〜５０）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。本出願人はまた、米国特許出願番号第１２／５８９６１４号明細書において、［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X積層構造およびこれに関連した積層構造について、同様なＰＭＡの振る舞いを記載している。
【００３５】
積層構造のＰＭＡは、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２構造またはＴａ／Ｍ１構造を有する複合シード層を用いることにより改善される。この場合、Ｍ１は、ｆｃｃ［１１１］結晶配向またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属または合金であり、例えば、Ｒｕ（ルテニウム），Ｔｉ（チタン），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｈｆ（ハフニウム），ＮｉＣｒまたはＮｉＦｅＣｒ等である。Ｍ２は、例えば、Ｃｕ（銅），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）であり、Ｍ１とは異なる金属である。複合シード層のＴａ層、Ｍ１層およびＭ２層は、それらの上側の層におけるｆｃｃ［１１１］結晶構造の表面組織を向上させる上で、極めて重要である。特に、Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕより構成されるシード層は、その上に形成される多層膜におけるＰＭＡと保磁力Ｈｃとを向上させる上で、特に効果的であることが判明している。
【００３６】
［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］Xなる多層膜等からなる積層構造は、従来より用いられている［Ｃｏ／Ｐｔ］Y系や［Ｃｏ／Ｐｄ］Y系よりも、高いスピン偏極、低い所有権コスト、およびハードバイアス（ＨＢ）層を含む特定の用途において大きな飽和磁気ボリュームＭｓｔが発揮されるといった、優れた特性を有している。
【００３７】
しかしながら、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］Xなる多層膜は、［Ｃｏ／Ｐｔ］Y系や［Ｃｏ／Ｐｄ］Y系と比較して、固有保磁力Ｈｃが低いという不具合を有している。保磁力Ｈｃの値が低いことは、漂遊磁界に対するロバスト性が不十分となり、結果として［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］Xなる多層膜をデバイス用途に幅広く用いることの妨げとなっている。
【００３８】
そこで、本出願人は、［Ｃｏ／Ｎｉ］X多層膜、［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜および関連する多層膜について、ＰＭＡと保磁力Ｈｃとを飛躍的に改善することを目指した。上記の多層膜に固有のＰＭＡは、Ｃｏ（またはＣｏＦｅ）原子およびＮｉ原子が有する３ｄ電子と４ｓ電子との界面スピン軌道相互作用に由来することから、［Ｃｏ／Ｎｉ］X多層膜および［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］X多層膜において、互いに隣接する一組の層（例えばＣｏ／Ｎｉ）と一組の層（例えばＣｏ／Ｎｉ）との間の界面をさらに改善する必要がある。例えば、［Ｃｏ／Ｎｉ］X多層膜の場合、「ｘ−１」の数の界面が存在している。
【００３９】
本出願人は、シード層／［Ｃｏ／Ｎｉ］Xなる多層構造、およびシード層／［ＣｏZＦｅ(100-Z)／Ｎｉ］Xなる多層構造において、ＰＭＡと保磁力Ｈｃとを増加させるための３つの方法を発見した。これらの方法は、単独または互いに組み合わせて用いることができる。以下、これらの方法により作製された高いＰＭＡを有する積層構造を磁気デバイスや磁気媒体に適用した場合の各種実施の形態について説明する。
【００４０】
［第１の実施の形態］
図２は、本発明の第１の実施の形態に係るＭＡＭＲ（マイクロ波アシスト磁気記録）構造２０を示す断面図である。
【００４１】
このＭＡＭＲ構造２０は、例えば、ボトム型（最下部にスピン注入層（ＳＩＬ：Spin Injection Layer）が設けられたもの）のＭＡＭＲ構造であり、基体２１の上に、複合シード層２２と、ＰＭＡ多層膜（以下、リファレンス層またはスピン注入層とも呼ぶ。）２３と、界面層２４と、スペーサ層２５と、磁界生成層（ＦＧＬ：Field Generation Layer）２６と、キャップ層２７とが順次形成された構造を有している。基体２１は、例えば、第１の電極としての機能を有している。
【００４２】
複合シード層２２は、好ましくはＴａ／Ｔｉ／Ｃｕ構造を有している。ただし、本出願の関連出願である上記米国特許出願番号第１２／５８９６１４において記載されている他の材料も好適である。下部Ｔａ層は、基体２１に接しており、例えば、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、好ましくは１．０ｎｍの厚さを有している。中間Ｔｉ層は、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、好ましくは３ｎｍの厚さを有している。上部Ｃｕ層は、０．５ｎｍ〜５ｎｍ、好ましくは２ｎｍ〜３ｎｍの厚さを有している。
【００４３】
本出願人は、ＰＭＡ多層膜２３を成膜する前に、プラズマ処理（ＰＴ：Plasma Treatment）を行うことにより、複合シード層２２の平滑性が著しく向上することを見出した。プラズマ処理は、複合シード層２２の最上層から約０．５ｎｍ未満の部分を喪失させて表面トポグラフィーを減らすように作用する。プラズマ処理は、例えば、約１５ｓｃｃｍ（標準立方センチメートル毎分）〜４５０ｓｃｃｍの流速の不活性ガス（Ａｒ等）と、約２００ワット未満のパワーとを用いて、約１０秒〜１００秒間行う。その結果、この複合シード層２２と、続いて成膜されるＰＭＡ多層膜２３における［Ｃｏ／Ｎｉ］層または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］層との間に、改善された界面が形成されることになる。
【００４４】
さらに、このプラズマ処理を行ったのち、よりいっそう平滑な表面を有する複合シード層２２を形成するために、第２の表面処理を行うようにしてもよい。特に、プラズマ処理後の複合シード層２２の表面に、およそ１酸素原子層分の厚さ以下の厚さを有すると考えられる極めて薄い酸素界面活性層（ＯＳＬ：Oxygen Surfactant Layer）が形成される。本質的に、酸素界面活性層は、自然酸化（ＮＯＸ：Natural Oxidation）法を行うことにより形成される。
【００４５】
自然酸化処理は、例えば、スパッタ装置の酸素チャンバ内で、約０．０１ｓｃｃｍ〜０．２ｓｃｃｍの酸素流量を用いて、約１秒〜２００秒間行われる。なお、例えば、プラズマ処理を、スパッタ成膜装置のスパッタエッチングチャンバ内で行い、自然酸化処理を、同一のスパッタ成膜装置の酸素チャンバ内で行うことにより、スループットを向上させるようにしてもよい。
【００４６】
他の例として、プラズマ処理と自然酸化処理のいずれか一方を、複合シード層２２を処理する単一の方法として用いることにより、ＰＭＡ多層膜２３を成膜する前に複合シード層２２の平滑性を向上させてもよい。ただし、後述の実施例における各種サンプルから得られた保磁力Ｈｃに関するデータが示すように、通常は、２つの処理を組み合わせることにより、プラズマ処理または自然酸化処理のみを用いた場合よりも高い値の保磁力Ｈｃを生じさせることが可能である。
【００４７】
複合シード層２２の上には、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］Xなる積層構造を有するＰＭＡ多層膜２３が形成されている。ここで、ｚは０〜９０である。ｘは５〜５０、好ましくは１０〜３０である。ＰＭＡ多層膜２３における各Ｃｏ層（またはＣｏＦｅ層）の厚さｔ１は、０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍであり、好ましくは０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍである。ＰＭＡ多層膜２３の各Ｎｉ層の厚さｔ２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、Ｃｏ層（またはＣｏＦｅ層）の厚さｔ１よりも大きくするのが好ましく、特にｔ２＝２×ｔ１とするのがより好ましい。隣接するＣｏ層とＮｉ層との間（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である。
【００４８】
見方によれば、Ｃｏ層（ＣｏＦｅ層）の厚さｔ１が約０．２ｎｍ以下である場合、Ｃｏ層（ＣｏＦｅ層）は最密充填層（close-packed layer）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。
【００４９】
本発明は、ＰＭＡ多層膜２３が［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］X、［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］X、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］X、または［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］Xにより表される組成を有するという実施の形態をも包含している。この場合、ＮｉＣｏ層におけるＣｏ含有量およびＮｉＦｅ層におけるＦｅ含有量は、それぞれ、０〜５０［ａｔ％］である。
【００５０】
他の例として、ＰＭＡ多層膜２３は、（ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ）Xにより表される組成を有してもよい。この場合、Ｒは、ルテニウム（Ｒｕ），ロジウム（Ｒｈ），パラジウム（Ｐｄ），チタン（Ｔｉ），Ｚｒ（ジルコニウム），Ｈｆ（ハフニウム），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），マグネシウム（Ｍｇ），マンガン（Ｍｎ），または銅（Ｃｕ）等の金属である。ＣｏＦｅＲ合金におけるＲの含有量は、好ましくは１０［ａｔ％］未満であり、ＣｏＦｅＲ層の厚さは厚さｔ１である。
【００５１】
本出願人は、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］Xなる多層膜を含む「シード層２２／ＰＭＡ多層膜２３」積層構造における保磁力Ｈｃを改善するための別の方法を発見した。先の出願では、低いパワーおよび高圧を用いた［Ｃｏ／Ｎｉ］Xの成膜方法を採用することにより、Ｃｏ層とＮｉ層との間の界面を保つようにした。本出願人はさらなる鋭意努力を重ねた結果、圧力を１００ｓｃｃｍよりも大幅に高く増加させることが、保磁力Ｈｃを著しく上昇させる上で重要な役割を果たしていることを見出した。すなわち、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］Xを成膜する際に、１００〜５００ｓｃｃｍの超高圧のアルゴンガスを用いることにより、保磁力Ｈｃを３０％以上増加させることができる。
【００５２】
さらに、上述した自然酸化法を用いることにより、ＰＭＡ多層膜２３を構成する１つ以上の［Ｃｏ／Ｎｉ］層または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］層の表面を改善するようにしてもよい。自然酸化法を用いて形成された酸素界面活性層は、複合シード層２２と［Ｃｏ／Ｎｉ］層または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］層との間の界面を改善するのみならず、ＰＭＡ多層膜２３における、互いに隣接する［Ｃｏ／Ｎｉ］層間または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］層間の界面をも改善する。
【００５３】
なお、所望の保磁力Ｈｃを得るためには、必ずしも［Ｃｏ／Ｎｉ］X積層膜のすべての［Ｃｏ／Ｎｉ］に対して自然酸化法を行う必要はない。例えば、各ｎ番目の［Ｃｏ／Ｎｉ］層（ｎは、１よりも大きい整数）のみに対して、後続の［Ｃｏ／Ｎｉ］層を成膜する前に自然酸化処理を行うようにしてもよい。
【００５４】
自然酸化処理は、Ｃｏ層（ＣｏＦｅ層）とＮｉ層のいずれかに対して行われる。すなわち、［Ｃｏ／Ｎｉ］層を作製するための工程は、Ｃｏ成膜／自然酸化処理／Ｎｉ成膜、または、Ｃｏ成膜／Ｎｉ成膜／自然酸化処理、という手順を経ることになる。
【００５５】
本発明の実施の形態では、複合シード層２２に対して行われるプラズマ処理もしくは自然酸化処理、または、ＰＭＡ多層膜２３における１つ以上の層に対して行われる自然酸化処理を含む、少なくとも１つの表面改質処理を行うことにより、複合シード層２２と、ＰＭＡ多層膜２３との界面を改善し、または、ＰＭＡ多層膜２３における互いに隣接する［Ｃｏ／Ｎｉ］層間もしくは［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］層間の界面を改善することができる。
【００５６】
他の例として、［Ｃｏ／Ｎｉ］Xまたは［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］Xの成膜の際に超高圧のアルゴンガスを用いることにより、「複合シード層／ＰＭＡ多層膜」なる積層構造を備えた磁気デバイスにおける保磁力Ｈｃを向上させることができる。超高圧を用いることにより、Ｃｏ（またはＣｏＦｅ）の表面またはＮｉの表面に作用するエネルギーが最小限に抑えられ、これにより隣接するＣｏ層とＮｉ層との間に形成される界面、または隣接するＣｏＦｅ層とＮｉ層との間に形成される界面を保つことができる。
【００５７】
さらに他の例として、プラズマ処理または自然酸化処理を含む１つ以上の表面改質法と、ＰＭＡ多層膜における［Ｃｏ／Ｎｉ］層または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］層を超高圧下で成膜する方法とを組み合わせて用いることも可能である。
【００５８】
ＰＭＡ多層膜２３の上には界面層２４が形成されている。界面層２４は、この界面層２４の上に形成されるスペーサ層２５の均一な成長を促進させ、より高いスピン偏極が得られるようにする役割を果たしている。界面層２４は、例えば、０．５ｎｍから２ｎｍ厚のＣｏＦｅからなる強磁性層である。または、界面層２４を、例えば、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅなる複合構造（図示せず）としてもよい。この場合、ＰＭＡ多層膜２３と接する下部ＣｏＦｅＢ層は、０．５ｎｍから２ｎｍの厚さを有し、スペーサ層２５と接する上部ＣｏＦｅ層は、０．２ｎｍから０．８ｎｍの厚さを有する。また、上部ＣｏＦｅ層は、ＰＭＡ多層膜２３におけるＣｏ(100-Z)ＦｅZ層と同じ含有量の鉄（Ｆｅ）を含んでもよい。必要に応じて、界面層２４が、ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢなる複合構造を有するようにしてもよい。
【００５９】
界面層２４の上には、非磁性のスペーサ層２５が形成されている。スペーサ層２５は、ＧＭＲ構造の場合、例えば、銅（Ｃｕ）または他の高い導電率を有する金属もしくは金属合金より構成される。このＧＭＲ構造は、電流制限パス（ＣＣＰ：Current Confining Path）構造を有してもよい。ＣＣＰ−ＧＭＲ構造は、金属パスを内部に有する絶縁層が、銅（Ｃｕ）等よりなる２つの金属層により挟まれたものである。他の例として、ＴＭＲ構造の場合、スペーサ層２５は、ＭｇＯ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＺｎＯ等の誘電材料、または他の金属酸化物もしくは金属窒化物により構成されている。
【００６０】
なお、スペーサ層２５の上に、図示しない第２の界面層を形成することにより、スピントランスファー発振器（ＳＴＯ）におけるより高いスピン偏極を促すようにしてもよい。この第２の界面層は、ＣｏＦｅＢ層、またはＣｏＦｅとＣｏＦｅＢとを有する複合層により構成される強磁性層である。「ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ」複合層の場合、下部ＣｏＦｅ層は、スペーサ層２５に接し、上部ＣｏＦｅＢ層は、その上に形成される磁界生成層２６に接する。この場合、第２の界面層のＣｏＦｅＢ層およびＣｏＦｅ層は、それぞれ、界面層２４（第１の界面層）におけるＣｏＦｅＢ層およびＣｏＦｅ層と同様の厚さを有している。必要に応じて、磁界生成層（ＦＧＬ）２６を、図２のようにスペーサ層２５の上に直接形成するようにしてもよい。
【００６１】
磁界生成層２６は、例えば、ＦｅＣｏ等からなる磁性（強磁性）層である。磁界生成層２６は、十分なスピントルクが印加された際に、磁気モーメントが磁化容易軸（図示せず）に沿って一方向から反対方向へとスイッチング可能な発振層として機能する。ＰＭＡ多層膜２３は、この磁界生成層２６と強磁性結合している。
【００６２】
他の例として、磁界生成層２６が、例えば、［Ｃｏ／Ｎｉ］Sまたは［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］Sにより表される積層構造を有するようにしてもよい。ここで、ｚは０〜９０［ａｔ％］であり、ｓは３〜１０（好ましくは３〜５）である。例えば、磁界生成層２６について選択されるｚの値は、ＰＭＡ多層膜２３において用いられるｚの値と同じである。ただし、磁界生成層２６を構成する各層のＣｏ含有量は、本実施の形態の「複合シード層２２／ＰＭＡ多層膜２３」積層構造により得られる利益を犠牲にしない範囲で、ＰＭＡ多層膜２３を構成する各層のＣｏ含有量と異なるようにしてもよい。なお、磁界生成層２６は、垂直磁気異方性を形成するためのシード層を別途設けることを必要とせず、また、ＰＭＡ多層膜２３における［１１１］結晶配向とは異なる結晶構造を有してもよい。
【００６３】
ＭＡＭＲ構造２０の最上層には、キャップ層（複合キャップ層）２７が設けられている。このキャップ層２７は、例えば、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ構造を有し、上部のＲｕ層は、酸化を防止すると共に、その上に形成される第２の電極（図示せず）に対して優れた導通を図るために用いられる。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２７に用いてもよい。
【００６４】
本実施の形態に係る上記「複合シード層２２／ＰＭＡ多層膜２３」積層構造の形成方法は、キャップ層２７を成膜した後に熱処理を行う工程を含んでいる。この熱処理工程は、１５０〜から３００°Ｃ、好ましくは１８０〜２５０°Ｃの範囲の温度で、０．５時間〜５時間にわたって行われる。こののち、周知の方法を用いてＭＡＭＲ構造２０をパターニングすることにより、基体２１の上に複数のＭＡＭＲ素子を形成する。なお、後述する実施例の実験データは、この熱処理を行うことにより保磁力Ｈｃがさらに著しく増加することを示している。
【００６５】
図２に示したＭＡＭＲ構造２０におけるスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造２９は、例えば、図１１に示したようなＳＴＯ型の記録ヘッド８０の一部として形成される。この実施の形態において、記録ヘッド８０は一体型記録再生ヘッドの一部として設けられている。すなわち、この一体型記録再生ヘッドは、再生ヘッド７５と記録ヘッド８０とを一体に形成したものである。
【００６６】
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。記録ヘッド８０は、主磁極７６と、トレーリングシールド７７と、ＳＴＯ構造６０に電流を注入するための配線７８とを備えている。この図では、ＳＴＯ構造２９はボトム型構造を有し、主磁極７６に近い側に積層リファレンス層としてのＰＭＡ多層膜２３が位置している。この積層リファレンス層の磁化方向は、媒体の移動方向と同じ方向を向いている。
【００６７】
発振層（磁界生成層２６）は、図中、ＳＴＯ構造２９における２つの矢印および円状の点線を有する層として表されているように、積層リファレンス層（ＰＭＡ多層膜２３）よりも第１電極側（トレーリングシールド７７側）に形成され、回転自在な磁化方向を有している。
【００６８】
図示しない他の例では、ＳＴＯ構造２９における磁界生成層２６の位置とＰＭＡ多層膜２３の位置とを入れ換えることにより、トップ型のＳＴＯ構造を有するようにしてもよい。
【００６９】
［第２の実施の形態］
図３は、本発明の実施の形態に係る「シード層／ＰＭＡ多層膜」積層構造を有するＭＲＡＭ（磁気ランダムアクセスメモリ）構造３０を示す断面図である。
【００７０】
本実施の形態の基板３１は、例えばボトム電極層である。ここで示した例では、ＭＲＡＭ構造３０は、基体３１の上に、複合シード層２２と、リファレンス層として機能するＰＭＡ多層膜２３と、第１の界面層３２と、トンネルバリア層３３と、第２の界面層３４と、フリー層３５と、キャップ層２７とを順次形成してなるボトム型スピンバルブ構造を有する。
【００７１】
複合シード層２２およびＰＭＡ多層膜２３は、上記実施の形態（ＭＡＭＲ構造２０）の場合と同様の材料を用いて同様の厚さに形成され、同様の方法により作製されている。具体的には、複合シード層２２は、例えばＴａ／Ｔｉ／Ｃｕ構造（各層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度）を有し、ＰＭＡ多層膜２３の形成前に、プラズマ処理および自然酸化処理のうちの少なくとも一方が施されている。また、ＰＭＡ多層膜２３は、［Ｃｏ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］X、［ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ］X、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］X、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］X、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］X、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］X等の積層構造（ｘは５から５０、好ましくは５から３０の整数であり、ＣｏＦｅ層、ＣｏＦｅＲ層またはＣｏ層は、Ｎｉ層、ＮｉＦｅ層またはＮｉＣｏ層よりも薄い）を有するリファレンス層である。
【００７２】
第１の界面層３２は、この第１の界面層３２の上に形成されるトンネルバリア層３３の均一な成長を促進し、より高いスピン偏極が得られるようにする役割を果たすものであり、例えば、０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度の厚さＣｏＦｅＢからなる強磁性層である。あるいは、第１の界面層３２を、例えば、「ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ」なる複合体（図示せず）として構成してもよい。この場合、ＰＭＡ多層膜２３と接する下部ＣｏＦｅＢ層は、例えば０．５ｎｍ〜２ｎｍ程度の厚さを有し、トンネルバリア層３３と接する上部ＣｏＦｅ層は、例えば０．２ｎｍ〜０．８ｎｍ程度の厚さを有する。なお、第１の界面層３２は、「ＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢ」なる構造であってもよい。
【００７３】
第１の界面層３２の上には、トンネルバリア層３３が形成されている。このトンネルバリア層３３は、ＭｇＯにより構成するのが好ましいが、例えば、ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘおよびＺｎＯ等の本技術分野において用いられている他の非磁性トンネルバリア材料を用いてもよい。ＭｇＯ層は、本出願人による米国特許出願公開第２００７／０１１１３３２号明細書および米国特許出願公開第２００７／０１４８７８６号明細書に記載されているように、ＰＭＡ多層膜２３（この場合では、ＰＭＡ多層膜２３に接する第１の界面層３２）の上に、第１のＭｇ層を成膜したのち自然酸化処理を行い、最後にこの酸化させた第１のＭｇ層の上に、第２のＭｇ層を成膜することにより作製される。このトンネルバリア層３３は、後続の熱処理によってほぼ均一なＭｇＯ層となる。
【００７４】
ＭＲＡＭ構造３０におけるより高いスピン偏極を促進するために、トンネルバリア層３３の上に第２の界面層３４を形成することが好ましい。本実施の形態では、第２の界面層３４は、例えば、第１の界面層３２と同じ材料組成および厚さを有する。したがって、第２の界面層３４としては、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＢ／ＣｏＦｅ、またはＣｏＦｅ／ＣｏＦｅＢという構造が望ましい。
【００７５】
本実施の形態において、第２の界面層３４の上には、フリー層３５が形成されている。フリー層３５は、例えば、ＣｏＦｅ、ＣｏＦｅＢ、またはそれらの組み合わせにより構成されている。
【００７６】
他の例として、フリー層３５は、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅなる積層構造を有してもよい。
【００７７】
さらに他の例として、フリー層３５は、［Ｃｏ／Ｎｉ］S、［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］S、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］S、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］S、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］S、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］Sなる積層構造を有してもよい。ここで、ｚは０〜９０［ａｔ％］であり、ｓは３〜１０（好ましくは３〜５）である。
【００７８】
他の例として、フリー層３５を省略し、第２の界面層３４をフリー層３５として機能させるようにしてもよい。この場合、例えば、第２の界面層３４の厚さを調整することにより、結果としてＭＲＡＭ構造３０において得られるスピンバルブ構造の磁気特性を最適化することができる。
【００７９】
キャップ層２７は、スピンバルブ構造の最上層として設けられている。キャップ層２７は、例えばＲｕ／Ｔａ／Ｒｕ構造を有し、上部のＲｕ層は、酸化を防止すると共に、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。
【００８０】
薄いＲｕ層をＳＴＴ−ＭＲＡＭ用途としてキャップ層２７に用いた場合、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、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２７に用いてもよい。
【００８１】
ＭＲＡＭ構造３０のすべての層を成膜したのち、例えば２２０〜４００°Ｃ、好ましくは２５０〜３６０°Ｃの範囲で、２時間〜５時間にわたる熱処理を行う。こののち、周知の方法を用いてＭＲＡＭ構造３０をパターニングおよびエッチングすることにより、基体３１の上に複数のＭＲＡＭセルを形成する。本実施の形態では、下部電極としての基体３１は、ＭＲＡＭ構造３０と同時にパターンングされる。したがって、ＭＲＡＭアレイの各ＭＲＡＭセルの下には、下部電極が形成されている。
【００８２】
［第３の実施の形態］
図４は、第３の実施の形態を示すものであり、センサを安定させるためのハードバイアス構造に上記の「シード層／ＰＭＡ層」積層構造を導入した例である。この図は、再生ヘッド構造５０の内部に設けられたセンサ積層体３８を、エアベアリング（ＡＢＳ）面から見た図である。
【００８３】
図示しない基体（例えば、セラミック等）の上には、下部シールド４１（例えば、ニッケル鉄合金等）が形成されている。この下部シールド４１の上には、パターニングされたスピンバルブ素子（センサ積層体３８）が周知の方法を用いて形成されている。このセンサ積層体３８は、フリー層（図示せず）を有し、ボトム型スピンバルブ構造、トップ型スピンバルブ構造、またはデュアル型スピンバルブ構造を有している。センサ積層体３８の各層は、下部シールド４１の上面４１ｓに平行な面内に形成された上面を有している。センサ積層体３８は、説明を省略する周知の方法を用いて作製された上面３８ａおよびサイドウォール４３を有している。センサ積層体３８の上面３８ａは、上面視（図示せず）で円形、楕円形、または多角形の外観を呈している。
【００８４】
図４のハードバイアス構造４７は、下部シールド４１の上に形成された絶縁層部分４２ａと、サイドウォール４３に沿った絶縁層部分４２ｂとを含む絶縁層４２を含む。この絶縁層４２は、例えばＡｌＯｘまたは他の絶縁材料より構成される。
【００８５】
絶縁層部分４２ａ，４２ｂの上には複合シード層２２が形成されている。複合シード層２２は、好ましくはＴａ／Ｔｉ／Ｃｕ（各層の厚さは０．５ｎｍ~５ｎｍ程度）より構成される。なお、上述した他の構成を複合シード層２２に用いてもよい。
【００８６】
複合シード層２２の上には、ハードバイアス層としての役割を果たすＰＭＡ多層膜２３が設けられている。このＰＭＡ多層膜２３は、好ましくは、上記各実施の形態において説明した高い垂直磁気異方性を有する［Ｃｏ／Ｎｉ］x、［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］x、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］x、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］x、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］x、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］xなる構造（ｘ＝５〜３０）を有している。
【００８７】
矢印４０ａは、絶縁層部分４２ａの上方のシード層２２の上に形成されたハードバイアス（ＨＢ）粒子の磁化容易軸を示し、矢印４０ｂは、絶縁層部分４２ｂの上方のシード層２２の上に形成されたハードバイアス（ＨＢ）粒子の磁化容易軸を示す。これらの磁化容易軸（矢印４０ａ，４０ｂ）は、その下の複合シード層２２に対して垂直方向に配向しているため、ｘ軸方向（左右の方向）に沿って、ハードバイアス材料の異方性磁界を打ち負かすだけの強い面内長手磁界を印加することにより、ハードバイアス層の磁化方向が印加磁界と同じ方向に配列し、ＰＭＡ多層膜２３（ハードバイアス層）が初期化される。
【００８８】
磁界の印加を停止させたのち、ハードバイアス（ＨＢ）粒子の磁化は、縦方向に対してより小さな角度を有する一軸磁化容易軸方向へと落ち着く。このハードバイアス層の初期化は、好ましくは上部シールド４５が形成された後に行われる。サイドウォール４３に沿って成長したハードバイアス粒子の磁化方向は、磁化容易軸方向に沿いつつサイドウォール４３を指し示す方向に配向する。したがって、ＰＭＡ多層膜２３（ハードバイアス層）から生ずる電荷（図示せず）は、主に、サイドウォール４３に沿った領域４６内のＨＢエッジ粒子に由来する表面電荷である。このような電荷配置は、実際上、センサ積層体３８およびその内部のフリー層に強力なハードバイアス磁界を発生させる上で最良の状態である。電荷がサイドウォール４３に最も近接する位置にあり、電荷からの立体角（図示せず）が最大となるからである。特に、本実施の形態に係る「シード層／ＰＭＡ層」積層構造のハードバイアス層は、高い保磁力Ｈｃおよび高い飽和磁気ボリュームＭｓｔを、一般的にプラチナ（Ｐｔ）を含む従来のハードバイアス層よりも低コストで得ることができる点で有利である。
【００８９】
センサ積層体３８の上面３８ｓと同一平面上に位置する上面２３ｓに沿った部分以外の領域におけるＰＭＡ多層膜２３（ハードバイアス層）の上には、キャップ層２７が形成されている。このキャップ層２７および上面２３ｓ，３８ｓの上に、絶縁材料からなるコンフォーマルなギャップ層４４が形成され、これにより、センサ積層体３８およびハードバイアス構造４７が上部シールド４５から隔離されている。
【００９０】
センサ積層体３８は、ＭＲＡＭ構造やＭＡＭＲ構造と比較して高い温度による熱処理に対してより敏感であるため、キャップ層２７を形成した後に行う熱処理は、１８０〜２５０°Ｃ程度の低い温度を維持した上で０．５時間〜５時間程度行うことが好ましい。
【００９１】
なお、複合シード層２２とＰＭＡ多層膜２３（ハードバイアス層）とを有する上記ハードバイアス構造４７は、図４に示したもの以外のハードバイアス安定化構造に用いてもよい。
【００９２】
［第４の実施の形態］
図５は、第４の実施の形態を表すもので、上記の「シード層／ＰＭＡ層」積層構造を、磁気記録および磁気データ記憶に用いられる垂直磁気媒体に導入した例を示す。
【００９３】
本実施の形態の垂直磁気媒体６０は、基体６１と、この上に順次形成された、軟磁性下地材６２、複合シード層２２、ＰＭＡ多層膜２３およびキャップ層２７とを有する。なお、本実施の形態は他の垂直磁気媒体構造に適用することもできるが、あくまでも主要な特徴は、２００００［Ｏｅ］（＝２×１０7／４π［Ａ／ｍ］）よりも高い優れた異方性磁界Ｈｋと、３０００［Ｏｅ］（＝３×１０6／４π［Ａ／ｍ］）よりも高い保磁力Ｈｃと、５×１０6［ｅｒｇ／ｃｃ］（＝５×１０5［Ｊ・ｍ-2］）よりも高い異方性定数Ｋｕと、調整可能なＭｒｔ（残留磁化（Ｍｒ）と磁性層の膜厚（ｔ）との積）とがもたらされる、好ましい粒間交換結合を有する複合シード層２２と、ＰＭＡ多層膜２３と、キャップ層２７とを有する積層構造にある。
【００９４】
複合シード層２２がＴａ／Ｔｉ／Ｃｕからなる場合、通常は、その全体の厚さを１０ｎｍ以下とする。但し、Ｔｉ層の厚さを最大で１０ｎｍまで増加させることにより、上記のＭＡＭＲ構造、ＭＲＡＭ構造およびハードバイアス構造の場合よりも高い保磁力Ｈｃを得ることができる。
【００９５】
［Ｃｏ／Ｎｉ］x、［Ｃｏ(100-Z)ＦｅZ／Ｎｉ］x、［ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ］x、［Ｃｏ／ＮｉＦｅ］x、［Ｃｏ／ＮｉＣｏ］x、または［ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ］xより構成されるＰＭＡ多層膜２３において、ｘは、上記各実施の形態の場合よりも高い２０〜６０程度の値を有してもよい。
【００９６】
キャップ層２７は、例えばＲｕ／Ｔａ／Ｒｕなる構成を有する。但し、本技術分野において用いられている他のキャップ層材料を用いてもよい。
【００９７】
垂直磁気媒体６０のすべての層を成膜したのち、例えば１８０〜４００°Ｃ、好ましくは２００〜３６０°Ｃの範囲で、２時間から５時間にわたって熱処理を行う。
【実施例１】
【００９８】
「Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ」なる構造の複合シード層を、実施の形態において説明した「Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ」なる構造の複合シード層に置き換えた場合における、ＰＭＡの大きさと保磁力Ｈｃの改善を示すために、以下の実験を行った。図６は、その実験結果を表すものである。
【００９９】
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ＰＭＡの値を得るために、「Ｔａ１．０／Ｒｕ２．０／Ｃｕ２．０」複合シード層と、［Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．５］15積層膜と、「Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」キャップ層とを有する部分スピンバルブ構造を、基準サンプルとして作製した。なお、各元素記号に続く数値は膜厚（単位ｎｍ）を示す。以下、同様である。
【０１００】
また、基準サンプルにおける「Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ」複合シード層を、実施の形態に係る「Ｔａ１．０／Ｔｉ２．０／Ｃｕ２．０」複合シード層に置き換えたものを、実施例サンプルとして作製した。
【０１０１】
これらの各サンプルを、２２０°Ｃの温度で２時間にわたって熱処理した。図６は、これらの２つのサンプルについて測定された磁界（保磁力Ｈｃ）のＰＭＡ成分を示している。これらの結果から、保磁力Ｈｃは、例えば、基準サンプル（図６（ａ））の５８０［Ｏｅ］（＝５．８×１０5／４π［Ａ／ｍ］）から、「Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ」シード層を有する実施例サンプル（図６（ｂ））についての１１５０［Ｏｅ］（＝１１．５×１０5／４π［Ａ／ｍ］）へと増加することがわかる。同様に、「Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ」シード層を有する実施例サンプルについては、より高い異方性磁界Ｈｋ（図示せず）が得られた。
【実施例２】
【０１０２】
第２の実験では、実施の形態に係る［Ｃｏ／Ｎｉ］x積層膜の成膜時に超高ガス圧を用いた場合における保磁力Ｈｃの改善を示すために、「複合シード層／ＰＭＡ多層膜／キャップ層」なる構成を有する部分スピンバルブ構造を作製した。図７は、その実験結果を表すものである。
【０１０３】
基準サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ３．０／［Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．５］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる積層構造を作製した。このサンプルでは、各Ｃｏ層および各Ｎｉ層は、１００ｓｃｃｍの流速のアルゴン（Ａｒ）ガスを用いて成膜した。
【０１０４】
また、同じ組成を有すると共に５００ｓｃｃｍの超高流速のアルゴンガスを用いて成膜した実施例サンプルを用意した。
【０１０５】
図７（ａ）のグラフから、２２０°Ｃ、５時間の条件による熱処理を経た基準サンプルの積層構造の保磁力Ｈｃは、垂直磁界について１５４５［Ｏｅ］（＝１５．４５×１０5／４π［Ａ／ｍ］）であることがわかる。これに対し、図７（ｂ）のグラフから、超高圧を用いて作製された同一の条件による熱処理を経た実施例サンプルの保磁力Ｈｃは、２１３０［Ｏｅ］（＝２１．３×１０5／４π［Ａ／ｍ］）であることがわかる。
【実施例３】
【０１０６】
次に、［Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ］なる構造を有する複合シード層に対して上記のプラズマ処理または自然酸化処理を施した場合の効果を確認するために４つのサンプルを作成し、第３の実験を行った。図８は、その実験結果を表すものである。
【０１０７】
図８（ａ）に示す基準サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ３．０／［Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．５］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる部分スピンバルブ構造を、超高圧を用いて作製した。このサンプルでは、［Ｃｏ／Ｎｉ］15積層膜の成膜前に複合シード層へのプラズマ処理または自然酸化処理を施してはいない。なお、この基準サンプルは図７（ｂ）に示したサンプルと同じものである。
【０１０８】
第２の（実施例）サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ３．０／ＰＴ／［Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．５］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる積層構造を作製した。このサンプルでは、［Ｃｏ／Ｎｉ］15積層膜とキャップ層とを成膜する前に、複合シード層に対して、２０ワットのパワーおよび５０ｓｃｃｍの流速のアルゴンガスを用いたプラズマ処理（ＰＴ）を５０秒間施すことにより、より滑らかな複合シード層を形成するようにした。
【０１０９】
第３の（実施例）サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ３．０／ＯＳＬ／［Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．５］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる積層構造を作製した。このサンプルでは、積層［Ｃｏ／Ｎｉ］15層とキャップ層とを成膜する前に、複合シード層に対して、０．０８ｓｃｃｍの流速の酸素を用いた自然酸化処理（ＮＯＸ）を５０秒間行うことにより、酸素界面活性層（ＯＳＬ）を形成した。
【０１１０】
第４の（実施例）サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ３．０／ＰＴ／ＯＳＬ／［Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．５］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる積層構造を作製した。このサンプルでは、積層［Ｃｏ／Ｎｉ］15層とキャップ層とを高圧条件を用いて成膜する前に、複合シード層に対して、２０ワットのパワーと５０ｓｃｃｍの流速のアルゴンガスとを用いたプラズマ処理（ＰＴ）を５０秒間施したのち、０．０８ｓｃｃｍの流速の酸素を用いた自然酸化処理（ＮＯＸ）を５０秒間行うことにより、酸素界面活性層（ＯＳＬ）を形成した。
【０１１１】
これらのすべてのサンプルに対し、２２０°Ｃの熱処理を５時間行った。
【０１１２】
図８（ｂ）のグラフから、第２のサンプルの保磁力Ｈｃは、保磁力Ｈｃが２１３０［Ｏｅ］（＝２１．３×１０5／４π［Ａ／ｍ］）である基準サンプル（図８（ａ））と比較して、２３３０［Ｏｅ］（＝２３．３×１０5／４π［Ａ／ｍ］）に増加していることがわかる。また、図８（ｃ）のグラフから、第３のサンプルの保磁力Ｈｃは２５２０［Ｏｅ］（＝２５．２×１０5／４π［Ａ／ｍ］）に増加し、図８（ｄ）のグラフから、第４のサンプルの保磁力Ｈｃは２７３０［Ｏｅ］（＝２７．３×１０5／４π［Ａ／ｍ］）に増加していることがわかる。したがって、「Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ」複合シード層に対してプラズマ処理もしくは自然酸化処理またはその両方を施すことにより、スピンバルブ構造における保磁力Ｈｃが向上することがわかる。また、プラズマ処理に続いて自然酸化処理を行うようにすると、性能向上において最も効果的であることがわかる。
【実施例４】
【０１１３】
次に、［Ｃｏ／Ｎｉ］x等からなる複合ＰＭＡ層の中に１つ以上の酸素界面活性層を形成した場合の効果を示すために、図９に示す第４の実験を行った。
【０１１４】
基準サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ２．０／［Ｃｏ０．２＊／Ｎｉ０．５＊］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる部分スピンバルブ構造を作製した。各Ｃｏ層および各Ｎｉ層の隣に記したアステリスク「＊」は、それらが超高圧条件（５００ｓｃｃｍの流速のアルゴンガス）を用いて成膜されていることを示している。
【０１１５】
実施例サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ２．０／｛［Ｃｏ０．２＊／Ｎｉ０．５＊］5／ＯＳＬ｝3／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」なる積層構造を作製した。ここでは、キャップ層を形成する前に、５つの［Ｃｏ／Ｎｉ］層を成膜したのち自然酸化処理（ＮＯＸ）を行うことにより酸素界面活性層（ＯＳＬ）を形成するという一連の処理を全部で３回繰り返した。
【０１１６】
そして、これらのサンプルに対し、２２０°Ｃの熱処理を５時間行ったのち、ＭＨ曲線を得た。
【０１１７】
保磁力Ｈｃが１９５５［Ｏｅ］（＝１９．５５×１０5／４π［Ａ／ｍ］）である基準サンプル（図９（ａ））と比較して、実施例サンプル（図９（ｂ））の保磁力Ｈｃが２３２５［Ｏｅ］（＝２３．２５×１０5／４π［Ａ／ｍ］）に増加していることがわかる。これは、実施例サンプルのように酸素界面活性層を形成したことによって、［Ｃｏ／Ｎｉ］層と［Ｃｏ／Ｎｉ］との間の界面がより滑らかになったことによるものである。
【実施例５】
【０１１８】
図１０は第５の実験の結果を表すものである。この実験は、実施の形態に係る「シード層／ＰＭＡ層」積層構造を有するスピンバルブ構造に対して、より高い温度の熱処理を行うことによる改善を示すものである。なお、２２０°Ｃよりも高い温度の熱処理は、高温による温度偏移によって１以上の層が損傷してしまう可能性があることから、センサ等の一部の磁気デバイスには適用できない場合がある。ただし、熱処理温度をできる限り増加させることは、実施の形態に係るＰＭＡ多層膜の保持力Ｈｃをも向上させることにつながることを本出願人は発見した。
【０１１９】
基準サンプルとして、「Ｔａ１．０／Ｔｉ３．０／Ｃｕ３．０／ＯＳＬ／［Ｃｏ０．２＊／Ｎｉ０．５＊］15／Ｒｕ１．０／Ｔａ４．０／Ｒｕ３．０」になる部分スピンバルブ構造を作製した。各Ｃｏ層および各Ｎｉ層の隣に記したアステリスク「＊」は、それらが超高圧条件（５００ｓｃｃｍの流速のアルゴンガス）を用いて成膜されていることを示している。この基準サンプルに対して２２０°Ｃの熱処理を５時間行った。
【０１２０】
一方、上記基準サンプルと同じ膜構成の実施例サンプルに対しては２５０°Ｃの熱処理を２時間行った。
【０１２１】
図１０に示すＭＨ曲線のグラフから、保磁力Ｈｃが２５６０［Ｏｅ］（＝２５．６×１０5／４π［Ａ／ｍ］）（図１０（ａ））である基準サンプルに対して、熱処理温度を３０°Ｃ上昇させた実施例サンプルの保磁力Ｈｃは３０２０［Ｏｅ］（＝３０．２×１０5／４π［Ａ／ｍ］）（図１０（ｂ））に増加していることがわかる。場合によっては、２８０〜３５０°Ｃの範囲の熱処理温度を用いると、その保磁力Ｈｃは、２５０°Ｃの熱処理条件において得られる保磁力Ｈｃよりも大幅に高くなると予想される。
【０１２２】
各実施の形態において説明した、すべてのプロセスの組み合わせと構造の変更とにより、最も高い保磁力Ｈｃを得ることができることがわかるであろう。それらの変更点を以下に示す。
【０１２３】
（１）シード層を「Ｔａ／Ｔｉ／Ｃｕ」という構成の複合シード層とするのが好ましく、この複合シード層に対してプラズマ処理または自然酸化処理を施す。
（２）シード層の上に、［Ｃｏ／Ｎｉ］x積層膜を、超高圧を用いて形成する。
（３）［Ｃｏ／Ｎｉ］x積層膜の中に、少なくとも１つの酸素界面活性層を含ませる。
（４）デバイスの各層の信頼性に影響を及ぼさない程度の高い熱処理温度を用いる。
【０１２４】
以上説明した実施の形態を１つ以上利用することにより、高価な［Ｃｏ／Ｐｔ］Y系や［Ｃｏ／Ｐｄ］Y系よりも材料コストを低く抑えつつ、従来技術と比較して垂直磁気異方性ＰＭＡおよび保磁力Ｈｃをより高い値にまで増加させることができる。また、すべての工程は、プロセスフローを妨げることなく既存の製造装置において行うことができる。したがって、本実施の形態において説明した「シード層／ＰＭＡ層」積層構造の改善点、およびそれに付随する工程の改善点は、現在の製造スキームに容易に導入することができる上、性能の向上により、磁気記録技術をより速いペースで進展させることを可能にするものである。
【０１２５】
本発明を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であろう。
【符号の説明】
【０１２６】
２０，３０…ＭＡＭＲ構造、２１，３１，６１…基体、２２…複合シード層、２３…ＰＭＡ多層膜、２４…界面層、２５…スペーサ層、２６…磁界生成層（ＦＧＬ）、２７…キャップ層、２９…ＳＴＯ構造、３２…第１の界面層、３３…トンネルバリア層、３４…第２の界面層、３５…フリー層、３８…センサ積層体、４０ａ，４０ｂ…磁化容易軸、４１…下部シールド、４２…絶縁層、４２ａ，４２ｂ…絶縁層部分、４４…ギャップ層、４５…上部シールド、４７…ハードバイアス構造、５０…再生ヘッド構造、６０…垂直磁気媒体、６２…軟磁性下地層。
【図１】
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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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