(57)【要約】【課題】  スピン注入層の強固さを向上させ、より大きな発振磁界を生成可能なＳＴＯ構造を提供する。【解決手段】  Ｔａ層と、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶配向構造を有する金属層Ｍ１とを含む複合シード層２１の上に、高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を示す多層構造（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x を含むスピン注入層２２を形成する。さらに、スピン注入層２２の上に、非磁性スペーサ層２３、高飽和磁束密度層（高Ｂｓ層）を含む磁界発生層（ＦＧＬ）２４およびキャップ層２５を順次形成する。薄いシード層であってもスピン注入層２２の強固さを向上させ得る。高いＰＭＡの多層構造（Ａ１／Ａ２）x と高Ｂｓ層との結合を含む複合ＳＩＬを用いれば、スピン注入層をより強固にできる。高いＰＭＡの多層構造（Ａ１／Ａ２）Y と高Ｂｓ層との結合を含む複合ＦＧＬを用いれば、高Ｂｓ層内部に部分的ＰＭＡを確立でき、容易なＦＧＬ発振が可能になる。【選択図】  図１
2011238932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピントロニクス素子に適用されるスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造であって、
基体上に形成された下部タンタル（Ｔａ）層と、前記下部タンタル層と接するように形成された、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶配向構造を有する金属層Ｍ１とを少なくとも含む複合シード層と、
高垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を示す（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x なる積層構造（但し、ｘ＝５〜５０；Ａ１の厚さｔ１＜Ａ２の厚さｔ２）を含み、前記複合シード層の上面に接して形成されたスピン注入層（ＳＩＬ）と、
前記スピン注入層の上に形成された非磁性スペーサ層と、
前記非磁性スペーサ層の上に形成された高飽和磁束密度層（高Ｂｓ層）を含む磁界発生層（ＦＧＬ）と、
前記磁界発生層の上面に接するように形成されたキャップ層と
を備えたＳＴＯ構造。
【請求項２】
前記磁性層Ａ１は、Ｃｏ、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＲ（但し、Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｎまたはＣｕ）からなり、
前記磁性層Ａ２は、Ｎｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ（但し、ＮｉＦｅおよびＮｉＣｏにおけるＮｉ含有量は５０原子％ないし１００原子％）からなる
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項３】
前記磁界発生層は、ＦｅＣｏ、または、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｂ、Ｃ、ＳｅおよびＳｎのうちから選択される少なくとも１種の原子を含むＦｅＣｏ合金を含む
請求項２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項４】
前記複合シード層において、前記下部タンタル層は０．５ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有し、前記金属層Ｍ１は１ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有する
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項５】
前記複合シード層において、前記金属層Ｍ１はＲｕ、Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉＣｒからなり、前記複合シード層はＴａ／Ｍ１なる構成を有する
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項６】
前記複合シード層は、前記金属層Ｍ１とは異なる金属層Ｍ２（但し、Ｍ２は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇ）を前記金属層Ｍ１の上にさらに含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造を有し、
前記下部タンタル層の厚さは０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、前記金属層Ｍ１の厚さは１ｎｍないし１０ｎｍであり、前記金属層Ｍ２の厚さは０．１ｎｍないし１０ｎｍである
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項７】
前記磁性層Ａ１の厚さｔ１は０．０５ｎｍないし０．５ｎｍであり、前記磁性層Ａ２の厚さｔ２は０．２ｎｍないし１ｎｍである
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項８】
前記磁界発生層は、高Ｂｓ層である前記ＦｅＣｏ層に加えて、さらに、前記非磁性スペーサ層の上面に接するように形成された高ＰＭＡの（Ａ１／Ａ２）Y 積層体（但し、Ｙ＝５〜３０；  Ａ１／Ａ２は、Ｃｏ／ＮｉＦｅ、Ｃｏ／ＮｉＣｏ、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ、ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ、ＣｏＦｅＲ／ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅＲ／ＮｉＣｏ；  Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｎまたはＣｕ）を含むことにより、（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏなる複合ＦＧＬ構造を有し、
前記高Ｂｓ層であるＦｅＣｏ層が前記高ＰＭＡの（Ａ１／Ａ２）Y 積層体と交換結合することにより、前記高Ｂｓ層の内部に部分的なＰＭＡが生成されている
請求項３に記載のＳＴＯ構造。
【請求項９】
非磁性スペーサ層はＣＰＰ−ＧＭＲ構造を与えるＣｕからなり、またはＣＰＰ−ＴＭＲ構造を与えるＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX もしくはＺｎＯX からなる
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１０】
前記スピン注入層は、前記非磁性スペーサ層の下面に接するＦｅＣｏ層をさらに含むことにより、（Ａ１／Ａ２）x ／ＦｅＣｏなる複合ＳＩＬ構造を有し、
前記ＦｅＣｏ層が前記（Ａ１／Ａ２）x 積層構造と交換結合することにより、より強固なＳＩＬ構造が形成されている
請求項８に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１１】
前記基体が記録ヘッドにおける主磁極であり、前記キャップ層の上面が前記記録ヘッドのトレーリングシールドに接している
請求項１に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１２】
スピントロニクス素子に適用されるスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造であって、
基体上に形成された下部タンタル（Ｔａ）層と、前記下部タンタル層と接するように形成された、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶配向構造を有する金属層Ｍ１とを少なくとも含む複合シード層と、
前記複合シード層の上に形成された高飽和磁束密度層（高Ｂｓ層）を含む磁界発生層（ＦＧＬ）と、
前記磁界発生層の上に形成された非磁性スペーサ層と、
高垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を示す（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x なる積層構造（但し、ｘ＝５〜５０；Ａ１の厚さｔ１＜Ａ２の厚さｔ２）を含み、前記非磁性スペーサ層の上面に接して形成されたスピン注入層（ＳＩＬ）と、
前記スピン注入層の上面に接するように形成されたキャップ層と
を備えたＳＴＯ構造。
【請求項１３】
前記磁性層Ａ１は、Ｃｏ、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＲ（但し、Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｎまたはＣｕ）からなり、
前記磁性層Ａ２は、Ｎｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ（但し、ＮｉＦｅおよびＮｉＣｏにおけるＮｉ含有量は５０原子％ないし１００原子％）からなる
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１４】
前記磁界発生層は、ＦｅＣｏ、または、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｂ、Ｃ、ＳｅおよびＳｎのうちから選択される少なくとも１種の原子を含むＦｅＣｏ合金を含む
請求項１３に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１５】
前記複合シード層において、前記下部タンタル層は０．５ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有し、前記金属層Ｍ１は１ｎｍないし１０ｎｍの厚さを有する
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１６】
前記複合シード層において、前記金属層Ｍ１はＲｕ、Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉＣｒからなり、前記複合シード層はＴａ／Ｍ１なる構成を有する
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１７】
前記複合シード層は、前記金属層Ｍ１とは異なる金属層Ｍ２（但し、Ｍ２は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇ）を前記金属層Ｍ１の上にさらに含むことにより、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造を有し、
前記下部タンタル層の厚さは０．５ｎｍないし１０ｎｍであり、前記金属層Ｍ１の厚さは１ｎｍないし１０ｎｍであり、前記金属層Ｍ２の厚さは０．１ｎｍないし１０ｎｍである
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１８】
前記磁性層Ａ１の厚さｔ１は０．０５ｎｍないし０．５ｎｍであり、前記磁性層Ａ２の厚さｔ２は０．２ｎｍないし１ｎｍである
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項１９】
前記磁界発生層は、高Ｂｓ層である前記ＦｅＣｏ層に加えて、さらに、前記複合シード層の上面に接するように形成された高ＰＭＡの（Ａ１／Ａ２）Y 積層体（但し、Ｙ＝５〜３０；  Ａ１／Ａ２は、Ｃｏ／ＮｉＦｅ、Ｃｏ／ＮｉＣｏ、ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ、ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ、ＣｏＦｅＲ／ＮｉＦｅまたはＣｏＦｅＲ／ＮｉＣｏ；  Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｎまたはＣｕ）を含むことにより、（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏなる複合ＦＧＬ構造を有し、
前記高Ｂｓ層であるＦｅＣｏ層が前記高ＰＭＡの（Ａ１／Ａ２）Y 積層体と交換結合することにより、前記高Ｂｓ層の内部に部分的なＰＭＡが生成されている
請求項１４に記載のＳＴＯ構造。
【請求項２０】
非磁性スペーサ層はＣＰＰ−ＧＭＲ構造を与えるＣｕからなり、またはＣＰＰ−ＴＭＲ構造を与えるＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX もしくはＺｎＯX からなる
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項２１】
前記スピン注入層は、前記キャップ層の下面に接するＦｅＣｏ層をさらに含むことにより、（Ａ１／Ａ２）x ／ＦｅＣｏなる複合ＳＩＬ構造を有し、
前記ＦｅＣｏ層が前記（Ａ１／Ａ２）x 積層構造と交換結合することにより、より強固なＳＩＬ構造が形成されている
請求項１９に記載のＳＴＯ構造。
【請求項２２】
前記基体が記録ヘッドにおける主磁極であり、前記キャップ層の上面が前記記録ヘッドのトレーリングシールドに接している
請求項１２に記載のＳＴＯ構造。
【請求項２３】
スピントロニクス素子に適用されるスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）構造の製造方法であって、
基体上に、下部タンタル（Ｔａ）層と、前記下部タンタル層と接するｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶配向を有する金属層Ｍ１とを少なくとも含む、ｆｃｃ［１１１］結晶格子を有する複合シード層を形成する工程と、
前記複合シード層の上に、所定の積層構造体を形成する工程と
を含み、
前記所定の積層構造体が、
（Ｃｏ／Ｎｉ）x 、（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）x 、（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）x 、（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）x 、（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）x 、（ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ）x 、（ＣｏＦｅＲ／ＮｉＦｅ）x 、または（ＣｏＦｅＲ／ＮｉＣｏ）x なる積層構造（但し、ｘ＝５〜５０であり、Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｎまたはＣｕであり、Ｎｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏの厚さｔ２はＣｏ、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＲの厚さｔ１よりも大きい）を有する積層スピン注入層（ＳＩＬ）と、
高飽和磁束密度層（高Ｂｓ層）を含む磁界発生層（ＦＧＬ）と、
前記積層スピン注入層と前記磁界発生層との間に形成された非磁性スペーサ層と、
最上層としてのキャップ層と
を有する
ＳＴＯ構造の製造方法。
【請求項２４】
さらに、
１５０°Ｃないし３００°Ｃの温度の下で０．５時間ないし５時間にわたって前記ＳＴＯ構造をアニールする工程を含む
請求項２３に記載のＳＴＯ構造の製造方法。
【請求項２５】
前記磁界発生層は、ＦｅＣｏ層またはＦｅＣｏ合金層を含むと共に、高ＰＭＡの（Ａ１／Ａ２）Y 積層体（但し、Ｙ＝５〜３０）を含む構造を有し、
前記（Ａ１／Ａ２）Y 積層体を前記ＦｅＣｏ層またはＦｅＣｏ合金層と交換結合させることにより、前記高Ｂｓ層の内部に部分的なＰＭＡを生成する
請求項２３に記載のＳＴＯ構造の製造方法。
【請求項２６】
前記積層スピン注入層と、前記磁界発生層における前記（Ａ１／Ａ２）Y 積層体とを、ＤＣマグネトロンスパッタリングにより成膜する
請求項２５に記載のＳＴＯ構造の製造方法。
【請求項２７】
前記金属層Ｍ１は、Ｒｕ、Ｃｕ、ＡｕまたはＮｉＣｒを含む
請求項２３に記載のＳＴＯ構造の製造方法。
【請求項２８】
前記金属層Ｍ１とは異なる金属層Ｍ２（但し、Ｍ２は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇ）を前記金属層Ｍ１の上にさらに形成することにより、前記複合シード層がＴａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造を有するようにし、
前記下部タンタル層の厚さを０．５ｎｍないし１０ｎｍとし、前記金属層Ｍ１の厚さを１ｎｍないし１０ｎｍとし、前記金属層Ｍ２の厚さを０．１ｎｍないし１０ｎｍとする
請求項２３に記載のＳＴＯ構造の製造方法。
【請求項２９】
前記磁性層Ａ１の厚さｔ１を０．０５ｎｍないし０．５ｎｍとし、前記磁性層Ａ２の厚さｔ２を０．２ｎｍないし１ｎｍとする
請求項２３に記載のＳＴＯ構造の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンバルブ構造に係わり、例えばマイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ：microwave assisted magnetic recording ）を行う磁気記録ヘッドやＳＴＴ‐ＭＲＡＭ素子等のスピントロニクス素子において、より容易に磁界生成層（ＦＧＬ：field generation layer）を発振させることを可能とするスピントランスファー発振器( ＳＴＯ) 構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果を利用した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ＭＴＪ（magnetic tunneling junction ）技術とを統合した技術に基づいており、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十分に対抗することができる主要な新技術である。
同様に、C.Slonczewski による非特許文献１に開示されているスピントルクトランスファー（ＳＴＴ）磁化スイッチングは、ギガビット領域においてＳＴＴーＭＲＡＭ等のスピントロニクス素子に適用できる可能性があることから、近年、大きな関心を呼び起こした。
【０００３】
近年、J-G.Zhu らは、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について記述している。このスピントランスファー発振器では、スピントランスファーモーメントの作用により、垂直記録用の幾何学的配置において、媒体保磁力よりも大幅に低いヘッド磁界の下での記録が可能となる。
【０００４】
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ＭＴＪ素子、またはＧＭＲ（giant magnetoresistive）効果に基づくスピンバルブ素子を有する。ＴＭＲ効果に基づくＭＴＪ素子では、２つの強磁性層が薄い非磁性誘電層によって分離された積層構造を有し、ＧＭＲ効果に基づくスピンバルブ素子では、リファレンス層（ピンド層）とフリー層とが金属スペーサによって分離された構造を有する。
【０００５】
ＭＴＪ素子は、通常、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に形成される。上部電極は下部電極と交差して配置される。ＭＴＪ積層体は、ボトム型スピンバルブ構造を有するように構成可能である。このボトム型スピンバルブ構造では、シード層と、反強磁性（ＡＦＭ：anti-ferromagnetic）のピンニング層と、強磁性のピンド層と、薄いトンネルバリア層と、強磁性のフリー層と、キャップ層とが、下部電極の上にこの順に形成される。
【０００６】
ＡＦＭ層は、ピンド層の磁気モーメントを一定方向に維持する。ピンド層、すなわちリファレンス層は、例えばｙ方向に磁化された隣接するＡＦＭ層との交換結合によって、同じくｙ方向に固定された磁気モーメントを有する。フリー層は、ピンド層の磁気モーメントに対して、平行または反平行のいずれかの磁気モーメントを有する。トンネルバリア層は非常に薄く、伝導電子の量子力学的トンネル効果によって、トンネルバリア層をセンス電流が通過し得るようになっている。
【０００７】
フリー層の磁気モーメントは、外部磁界に応じて変化する。フリー層とピンド層との間の磁気モーメントの相対的な向きによって、トンネル電流が決まり、それによりトンネル接合抵抗が定まる。センス電流が、ＭＴＪ層に対して垂直な方向に上部電極から下部電極へと流れるＣＰＰ（current perpendicular to plane）方式の場合、フリー層のピンド層に対する磁化方向が平行状態（「１」を記憶した状態）であれば、検出抵抗値はより低く、反平行状態（「０」を記憶した状態）であれば検出抵抗値はより高くなる。
【０００８】
ＭＲＡＭセルの大きさが減少するに従って、磁気モーメントの方向を切り替えるために、導電線によって生成した外部磁界を用いることは、問題となってきている。超高密度ＭＲＡＭを製造可能にするために重要なことの一つは、半選択（磁気モーメント方向の中途半端な切り替え）による乱れの問題をなくすことにより、強固な磁気スイッチングマージンを設けることである。そのために、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た。
【０００９】
このスピントランスファートルク（ＳＴＴ）−ＭＲＡＭには、従来のＭＲＡＭと比較すると、半選択問題、および隣接セル間の誤った書き込みを回避できるという利点がある。スピントランスファー効果は、強磁性層／スペーサ／強磁性層という多層構造が、電子スピンに依存した電子輸送特性を有することによって生じる。ＣＰＰ構造において、スピン偏極電流が磁性多層構造を通り抜けるとき、強磁性層に入射する電子のスピン角モーメントは、その強磁性層と非磁性スペーサ層との界面の近傍における強磁性層の磁気モーメントと相互に作用しあう。この相互作用により、電子は、自身の角運動量の一部を強磁性層に手渡す。その結果、スピン偏極電流の電流密度が十分に高く、かつ多層構造の面積が小さければ、スピン偏極電流は強磁性層の磁化方向を切り替えることができる。ＳＴＴーＭＲＡＭと従来のＭＲＡＭとの違いは記録動作のメカニズムだけであり、再生のメカニズムは同じである。
【００１０】
垂直磁気異方性（ＰＭＡ；perpendicular magnetic anisotropy ）を示す材料は、磁気記録の用途および光磁気記録の用途において、特に重要である。このＰＭＡを呈するスピントロニクス素子は、面内異方性に基づくＭＲＡＭ素子と比較すると、熱安定性要求を満たすだけでなく、セルのアスペクト比に制限がないという点において優れている。従って、ＰＭＡに基づくスピンバルブ構造においては、将来的なＭＲＡＭの用途や他のスピントロニクス素子において鍵となる、より高記録密度のためのサイズ調整（小型化）が可能である。
【００１１】
ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔ−ＳｉＯ2 、Ｔｂ（Ｆｅ）ＣｏおよびＦｅＰｔ等のＰＭＡを示す材料は、出版物の中で何度も報告されている。しかしながら、文献に記載されている例にはすべて、少なくとも１つの欠点がある。スピンバルブ構造においては、ＰＭＡ特性を確立する場合に、強い加熱を必要としないことが望ましい。しかしながら、ＦｅＰｔ、またはＴｂ（Ｆｅ）Ｃｏは、十分に高いＰＭＡを得るために高温でのアニーリングを必要とすることから、集積素子の特定の構成要素が高温によって損傷を受けることになり、適用できない。
【００１２】
また、ＣｏＰｔや、ＣｏＣｒＰｔおよびＣｏＰｔ−ＳｉＯ2 等のＣｏＰｔ合金をスピンバルブ構造内に含むのは望ましくない。ＰｔおよびＣｒがスピン偏極を著しく減ずる材料であり、スピントロニクス素子の振幅を大幅に抑制するからである。よって、Ｃｏ／Ｘ（ＸはＰｔ、Ｐｄ、Ａｕ、ＮｉおよびＩｒ等）等の新しい磁性多層構造システムについて引き続き検討する必要がある。
【００１３】
前述のように、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、およびＣｏ／Ｉｒは、Ｐｔ、Ｐｄ、およびＩｒがスピン偏極を著しく減ずる減極特性を持つため、適切なＰＭＡ材料とはならない。さらに、Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、およびＣｏ／Ｉｒという構成には、通常、大変高価なＰｔ、ＰｄまたはＩｒ等からなる厚いシード層が必要である。Ａｕは、高価であり、隣接する層に相互拡散しやすいことから、ＰＭＡ特性を得るためにＣｏ／Ａｕの多層構造を用いることは、さらに実用的でない。
【００１４】
一方、Ｃｏ／Ｎｉの多層構成には、ＰＭＡ材料の候補として、次のようないくつかの利点がある。
（ａ）Ｃｏ、Ｎｉ、およびＣｏ／Ｎｉ界面によるスピン偏極の程度が非常に高い。
（ｂ）強固なＮｉ層の挿入により、より安定性が高い。
（ｃ）飽和磁化が、他のＣｏ／Ｍの組み合わせ（Ｍは金属）の場合の２倍の１テスラと、非常に高い。
（ｄ）安価である。
【００１５】
J-G.Zhu らによる非特許文献２に記載があるように、ＰＭＡ材料は、ＭＡＭＲ用途として検討されてきた。垂直記録の構成において、媒体保磁力よりも大幅に低いヘッド磁界による記録を可能とする、あるメカニズムが提案されている。
【００１６】
図１は、上記の参考文献から抜粋したものであり、交流磁界アシスト垂直ヘッドのデザインを表す。上側の吹き出し挿絵１９は、マイクロ波の周波数帯域において局所的な交流磁界を生成するための垂直スピントルク駆動発振器（交流磁界生成器）を表し、下部電極１１ａと、上部電極１１ｂと、垂直磁化リファレンス層１２（スピン注入層、すなわちＳＩＬ：spin injection layer）と、金属スペーサ１３と、発振積層体１４とを含む。
【００１７】
発振積層１４は、磁界生成層（ＦＧＬ）１４ａと、容易軸１４ｃを有する垂直磁気異方性（ＰＭＡ）層１４ｂとからなる。図１の上側の吹き出し挿絵１９内の交流磁界生成器は、９０度回転した姿勢で、図の下側の部分における記録磁極１７とトレーリングシールド１８との間に配置されている。記録ヘッドは、軟磁性下地層１５を有する磁気媒体１６の表面を相対移動する。リファレンス層１２は、注入された電流（Ｉ）にスピン偏極を生じさせる。ＦＧＬ１４ａとＰＭＡ層１４ｂとは強磁性交換結合している。本技術が完成するためには、リファレンス層１２および発振積層体１４のための優れた材料が必要である。
【００１８】
Ｃｏ／Ｎｉの多層構成によって高いＰＭＡを得ようとするいくつかの試みが文献に開示されている。しかしながら、それらの例のすべては、概して、ＰＭＡを確立するために非常に厚い下地層を含んでいる。例えば、G.Daalderop らによる非特許文献３、およびF.den Broeder らによる非特許文献４においては、２００ｎｍの厚さを有するＡｕシード層が用いられている。V.Naikらによる非特許文献５、および Y.Zhangらによる非特許文献６においては、５０ｎｍのＡｕ／５０ｎｍのＡｇからなる複合シード層が用いられている。
【００１９】
Jaeyong Lee らによる非特許文献７には、１００ｎｍの厚さを有するＣｕシード層が記載されている。P.Bloemen らによる非特許文献８においては、１５０°Ｃまで加熱した５０ｎｍのＴｉシード層、または５０ｎｍのＣｕシード層が用いられている。W.Chenらによる非特許文献９においては、１００ｎｍのＣｕ／２０ｎｍのＰｔ／１０ｎｍのＣｕからなる複合シード層が説明されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】「Current driven excitation of magnetic multilayers 」、J.Magn.Magn.Mater.、V159、L1-L7 、１９９６年
【非特許文献２】「Microwave Assisted Magnetic Recording 」、IEEE Trans. On Magnetics、Vol.44、No.1、pp.125-131、２００８年
【非特許文献３】「Prediction and Confirmation of Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Ni Multilayers 」、Phys. Rev. Lett. 68 、682 、１９９２年
【非特許文献４】「Co/Ni multilayers with perpendicular magnetic anisotropy: Kerr effect and thermomagnetic writing」、Appl. Phys. Lett. 61、1648、１９９２年
【非特許文献５】「Effect of (111) texture on the perpendicular magnetic anisotropy of Co/Ni multilayers 」、J. Appl. Phys. 84 、3273、１９９８年
【非特許文献６】「Magnetic and magneto-optic properties of sputtered Co/Ni multilayers」、J. Appl. Phys. 75 、6495、１９９４年
【非特許文献７】「Perpendicular magnetic anisotropy of epitaxial fcc Co/60-Angstrom-Ni/Cu(001) system 」、Phys. Rev. B57、R5728 、１９９７年
【非特許文献８】「Magnetic anisotropies in Co/Ni(111) multilayers 」、J. Appl. Phys. 72 、4840、１９９２年
【非特許文献９】「Spin-troque driven ferromagnetic resonance of Co/Ni synthetic layers in spin valves 」、Appl. Phys. Lett. 92、012507、２００８年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
しかしながら、上記した各文献におけるシード層は、スピントロニクス素子におけるＰＭＡを示すＣｏ／Ｎｉ多層構造に適用するのに実用的なものではない。通常、先進的な素子においては、性能を最適化するために、スピンバルブ層面と直交する方向に空間的な制限が課される。シード層が約１０ｎｍよりも厚い場合には、スピンバルブ内の他の層を薄くして全体を一定の最小限の厚さに保たなければならないが、この場合には、スピンバルブの性能が低下しやすくなる。
【００２２】
したがって、薄いシード層によってその上側の層におけるＰＭＡの確立を促し、高いＰＭＡを示す材料を用いて高い磁気モーメントの磁性層（高Ｂｓ層）の内部に部分的なＰＭＡを誘導することにより高磁気モーメントの磁性層内におけるＦＧＬ発振を容易化し、これにより、ＭＡＭＲの性能向上に必要なより大きな発振磁界（Ｈａｃ）を生成することができるシステムの設計が強く望まれている。
【００２３】
本発明はかかる課題を解決するためになされたもので、その第１の目的は、ＭＡＭＲ素子におけるスピン注入層（ＳＩＬ）の強固さ（robustness）を向上させ得るＳＴＯ構造およびその製造方法を得ることにある。
【００２４】
本発明の第２の目的は、ＭＡＭＲ素子において、ＦＧＬ発振を容易化することによって、より大きな発振磁界（Ｈａｃ）を生成することを可能とするＳＴＯ構造およびその製造方法を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
これらの目的は、本発明の第１の観点によるボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造により達成される。このＳＴＯ構造は、複合シード層と、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］X という多層構造のリファレンス層であるＳＩＬ層（ｘ＝約５〜５０、Ｆｅ含有量は０〜９０原子％）と、非磁性スペーサと、ＦｅＣｏを含むＦＬＧと、キャップ層とを、この順に基板上に形成してなるものである。
【００２６】
シード層は、Ｔａ／Ｍ１／Ｍ２、またはＴａ／Ｍ１という構成を有することが望ましい。ここで、Ｍ１は、ＮｉＣｒ等の金属、またはＲｕ等のｆｃｃ［１１１］もしくはｈｃｐ（六方最密充填）［００１］結晶方位を有する金属であり、Ｍ２は、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ａｕ、またはＡｇである。Ｍ２としてＰｄ、ＡｕまたはＡｇを用いる場合には、費用削減およびスピン偏極効果の最小化のうちの少なくとも一方を図るべく、Ｍ２層の厚さを最小限の厚さとすることが好ましい。複合シード層のＴａ層およびＭ１層は、その上方に形成される層の［１１１］結晶配向を増強するために重要である。
【００２７】
ＳＩＬ内の各ＣｏＦｅ層は、０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍ程度の厚さ（ｔ１）を有し、各Ｎｉ層は、０．２ｎｍ〜１ｎｍ程度の厚さ（ｔ２）を有する。スペーサは、ＣＰＰ−ＧＭＲ構造においてはＣｕが用いられ、ＣＰＰ−ＴＭＲ構造においては絶縁層が用いられる。その絶縁層としては、ＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX およびＺｎＯX のうちのいずれか、または他の金属酸化物、または窒化物が用いられる。キャップ層は、例えば、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕという構造を有する。
【００２８】
他の態様として、ボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造におけるＦＧＬは、ＦｅＣｏ層と交換結合する［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y なる積層体をさらに含み、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏなる構成を有するものであってもよい（ｙ＝５〜３０）。さらに、シード／ＳＩＬ／スペーサ／ＦＧＬ／キャップ層という構造のうち、ＣｏＦｅ／Ｎｉという積層部分について、その一方または双方を変更して、［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］、［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］、［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］、または［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］なる積層体によって置き換えてもよい。ここで、Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、またはＣｕのうちの１つである。あるいは、ＦｅＣｏからなるＦＧＬ層（Ｆｅ含有量は５０原子％以上）は、ＣｏＦｅ合金（Ｆｅ含有量は５０原子％未満）によって置き換えてもよい。
【００２９】
本発明の第２の観点は、トップＳＩＬ型のＳＴＯ構造に関する。このＳＴＯ構造は、複合シード層と、ＦｅＣｏを含むＦＧＬと、非磁性スペーサと、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］X という積層構造のＳＩＬと、キャップ層とを、この順に基板上に形成してなるものである。上記の各層は、ボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造の場合と同じ組成を有する。このＳＴＯ構造において、ＦＧＬは、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y という積層体をさらに含み、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏなる構成を有するものであってもよい。さらに、ＦｅＣｏ層（Ｆｅ含有量は５０原子％以上）は、ＣｏＦｅ合金（Ｆｅ含有量は５０原子％未満）によって置き換えてもよい。
【００３０】
他の態様として、トップＳＩＬ型のＳＴＯ構造は、シード／ＳＩＬ／ＦｅＣｏ／スペーサ／ＦＧＬ／ＦｅＣｏ／キャップ層という構造におけるＳＩＬおよびＦＧＬの構成を変更し、シード層／｛［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］X ／ＦｅＣｏ｝／スペーサ／｛［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏ｝／キャップ層という構造にしてもよい。この構造によって、高いＰＭＡを有する多層積層体［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］X と、ＦｅＣｏ等の高モーメント材料のＦｅＣｏ層との交換結合を最大限に活用することができる。なぜなら、ＳＩＬの強固さを向上させると同時に、ＦＧＬがより容易に発振可能となるからである。ＳＩＬにおいて高ＰＭＡ多層積層体と交換結合するＦｅＣｏ層の厚さは高ＰＭＡ多層積層体の厚さよりも薄く、ＦＧＬにおいて高ＰＭＡ多層積層体と交換結合するＦｅＣｏ層の厚さは１０ｎｍ〜３０ｎｍ程度であることが望ましい。
【００３１】
さらに他の態様として、前述したＣＰＰ−ＧＭＲ構成におけるＣｕスペーサは、Ｃｕスペーサの上部と下部との間に電流路狭窄（ＣＣＰ：confining current path）ナノ酸化物層（ＮＯＬ：nano-oxide layer）を挿入するように変形してもよい。例えば、薄い金属経路を有するＡｌＯX 等のアモルファス酸化物を２つの銅スペーサの間に形成し、Ｃｕ／ＡｌＯX ／Ｃｕという構造を形成してもよい。このようなＣＣＰ−ＣＰＰ方式では、電流路であるＣｕ金属経路が絶縁体テンプレートを介して制限されるため、スピンバルブにおけるＭＲ比を大幅に増強することができる。
【００３２】
すべての実施の形態において、基板を主磁極層とし、キャップ層の上に書込シールドを形成するようにしてもよい。スピンバルブ積層構造は、０．５時間〜５時間にわたって１５０°Ｃ〜３００°Ｃでアニールするのが好ましい。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X という積層構造におけるＦｅＣｏ層およびＮｉ層は、非常に低いＲＦパワーと高い不活性ガス圧力を採用して衝突イオンエネルギーを最小化することにより、新たに形成される層の形成が、その直前に形成されたＣｏＦｅ層またはＮｉ層に損傷を与えないようにすることが望ましい。これにより、隣接するＣｏＦｅ層とＮｉ層との間の界面が保たれ、ＰＭＡ特性が最大化される。
【００３３】
さらに、この方法によれば、非常に薄いシード層を用いながらも、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X および（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y という積層体のＰＭＡを保持することが可能となる。
【００３４】
なお、本出願は、２００９年６月１９日に出願した整理番号ＨＴ０８−０４５（米国出願番号１２／４５６６２１）、および２００９年１０月２６日に出願した整理番号ＨＴ０９−０１５／０５０（米国出願番号１２／５８９６１４）に関連するものである。これらの出願は、本出願人と同じ出願人によるものであり、それらの全体が本明細書にリファレンスとして組み込まれるべきものである。
【発明の効果】
【００３５】
本発明のＳＴＯ構造およびその製造方法によれば、Ｔａ層と、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶配向構造を有する金属層Ｍ１とを含む複合シード層の上に、高い垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を示す（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x なる多層構造を含むスピン注入層を形成するようにしたので、薄いシード層を有するＳＴＯ構造であっても、スピン注入層の強固さを向上させることができる。
【００３６】
特に、高いＰＭＡを呈する（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x なる多層構造と高Ｂｓ層との磁気交換結合を含む複合ＳＩＬを用いるようにすれば、スピン注入層をより強固なものとすることができる。
【００３７】
特に、高いＰＭＡを呈する（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）Y なる多層構造と高Ｂｓ層との磁気交換結合を含む複合ＦＧＬを用いるようにすれば、この交換結合を通して部分的なＰＭＡを高Ｂｓ層内部に確立する（高Ｂｓ層の異方性を膜面垂直方向に部分的に傾斜させる）ことができ、低電流密度下において容易なＦＧＬ発振が可能になる結果、より大きい発振磁界が得られる。
【００３８】
また、本発明におけるＳＴＯ構造の製造方法では、多層構造（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x または（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）Y の形成工程において、磁性層Ａ１および磁性層Ａ２をそれぞれ形成する際に磁性層Ａ１と磁性層Ａ２との界面が良好に保存されてそこでのＰＭＡが保たれるようにすれば、高いＰＭＡを呈する多層構造（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）x または（磁性層Ａ１／磁性層Ａ２）Y を容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】従来の交流磁界アシスト垂直ヘッドデザインをもったＭＡＭＲ記録ヘッドの模式図である。
【図２】多層構造（Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．６）20を含むＳＩＬ（スピン注入層）に関するＭＨ曲線を表すグラフである。
【図３】本発明の実施の形態に係るＰＭＡ（垂直磁気異方性）を有するＳＩＬであって、多層構造（Ｃｏ90Ｆｅ10０．２／Ｎｉ０．６）10を含むＳＩＬに関するＭＨ曲線を表すグラフである。
【図４】本発明の実施の形態に係るＰＭＡを有するＳＩＬであって、多層構造（Ｃｏ75Ｆｅ25０．２／Ｎｉ０．６）10を含むＳＩＬに関するＭＨ曲線を表すグラフである。
【図５】本発明の実施の形態に係るＰＭＡを有するＳＩＬであって、多層構造（Ｃｏ50Ｆｅ50０．２／Ｎｉ０．６）20を含むＳＩＬに関するＭＨ曲線を表すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態に係るＰＭＡを有するＳＩＬであって、多層構造（Ｃｏ30Ｆｅ70０．２／Ｎｉ０．６）10を含むＳＩＬに関するＭＨ曲線を表すグラフである。
【図７】（ａ）は、ＦＧＬが水平異方性を有しＳＩＬがＰＭＡ（垂直磁気異方性）を有するボトムＳＩＬ構成のＭＡＭＲ構造を表す図であり、（ｂ）は、ＦＧＬが水平異方性を有しＳＩＬがＰＭＡを有するトップＳＩＬ構成のＭＡＭＲ構造を表す図である。
【図８】（ａ）は、ＳＩＬおよびＦＧＬの双方がＰＭＡを有するボトムＳＩＬ構成のＭＡＭＲ構造を表す図であり、（ｂ）は、ＳＩＬおよびＦＧＬの双方がＰＭＡを有するトップＳＩＬ構成のＭＡＭＲ構造を表す図である。
【図９】比較例の構造に関するグラフであって、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなるシード層と、その上方のＰＭＡを示さないＦｅＣｏ１０なるＦＧＬ層とを含む構造におけるＭＨ曲線（垂直要素）を表すグラフである。
【図１０】本発明の実施の形態に係る構造に関するグラフであって、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなるシード層の上に、互いに交換結合した（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）15／ＦｅＣｏなるＦＧＬ層を形成した場合における、ＰＭＡを示すＭＨ曲線を表すグラフである。
【図１１】本発明の実施の形態によるトップ型のＳＴＯ記録ヘッドを有する再生記録一体型ヘッドを表す断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態によるボトム型のＳＴＯ記録ヘッドを有する再生記録一体型ヘッドを表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下に述べる実施の形態は、ＭＡＭＲ素子、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭ素子、およびその他のスピントロニクス素子におけるスピントランスファー発振器（ＳＴＯ）の性能向上のためのＣＰＰスピンバルブ構造に関するものであり、リファレンス層として（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X なる積層（ＳＩＬ）を含む。この積層ＳＩＬは、下部Ｔａ層と、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶方位を備えた上側の金属層とを含む薄い複合シード層を用いて十分に確立された垂直磁気異方性を有する。フリー層、すなわちＦＧＬは、ＦｅＣｏ、または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y ／ＦｅＣｏという構造を有し、より容易なＦＧＬ発振が可能である。
【００４１】
以下の実施の形態はまた、ＣｏＦｅ／Ｎｉ界面をよく保存できると共に薄いシード層を用いるだけで所望のｆｃｃ（１１１）配向の形成を可能とするような、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X または（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y なる積層構造の形成方法も含む。なお、ＭＡＭＲ素子のＦＧＬ構成要素について説明する場合、「磁界」と「磁束」という用語は相互に置き換え可能なものとして使用する。
【００４２】
関連する米国特許出願１２／４５６６２１において、我々は、ＭＲＡＭ用途における、ＰＭＡを有するＣｏ／Ｎｉの多層構造の利点について開示した。この（Ｃｏ／Ｎｉ）X なる積層構造の磁気異方性は、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によって生じる。そのような相互作用は、［１１１］配向の結晶軸を基準とした異方性を有する軌道モーメントを生じさせ、また、軌道モーメントとともにスピンモーメントの配列を生じさせる。
【００４３】
Ｆｅ原子、Ｃｏ原子、およびＮｉ原子は、非常に似通った外殻電子配置を有する。すなわち、Ｆｅは［Ａｒ］３ｄ6 ４ｓ2 という電子配置を有するが、これはＣｏの［Ａｒ］３ｄ7 ４ｓ2 という電子配置と電子が１つ異なるだけである。また、Ｃｏの［Ａｒ］３ｄ7 ４ｓ2 という電子配置は、Ｎｉの［Ａｒ］３ｄ8 ４ｓ2 という電子配置よりも電子が１つ少ないだけである。したがって、基本的に、厚さとプロセスを最適化すれば、ＣｏＦｅ／Ｎｉなる積層構造がＰＭＡを示すように振る舞う可能性がある。事実、我々は、関連する米国特許出願１２／５８９６１４において、スピントロニクス素子のフリー層またはリファレンス層として、高いＰＭＡを示すＣｏＦｅ／Ｎｉなる積層構造を形成することの利点を述べた。
【００４４】
図２〜図６は、［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ］／Ｎｉなる積層（ｚは０〜７０原子％）のＭＨ曲線を表すものであり、特に、膜内の垂直成分（ＰＭＡ成分）の大きさ（Ｈｃ）を示している。なお、各グラフの下側半分にある曲線における垂直部分間のｘ軸方向距離が、Ｈｃに対応する大きさを示している。ＭＨ曲線は、試料振動型磁力計（ＶＳＭ：vibrating sample magnometer ）を用いて測定した。各図において、上側のグラフは各磁界の膜面内成分を示し、下側のグラフは垂直磁気異方性（ＰＭＡ：perpendicular magnetic anisotropy ）成分を示す。
【００４５】
本実施の形態で開示するスピンバルブ構造においては、ＣｏＦｅ／Ｎｉまたはこれと同様の積層構造がＦｅＣｏ等の高磁気モーメント材料と交換結合して、より強固なスピン注入層が形成され、その結果、ＭＡＭＲ素子や関連するスピントロニクス素子の磁界生成層において、より容易な発振が可能となる。この新しい構造は、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X という多層構造の積層数（ｘ）が約５〜５０程度の十分大きな数に達すると、十分な数のＣｏＦｅ価電子およびＮｉ価電子が生じ、スピン軌道相互作用により、スピントロニクス用途に適した高いＰＭＡを生成することができる、という我々の知見に基づいている。例えば、高ＰＭＡ層は、隣接するＦｅＣｏ等の磁性層と交換結合し、ＦｅＣｏ層に一定量のＰＭＡ特性を生じさせることが可能である。ある態様においては、Ｔａ／Ｍ１によって表わされる複合シード層（Ｍ１は、Ｒｕ、ＣｕもしくはＡｕ、またはＮｉＣｒ合金等のｆｃｃ［１１１］もしくはｈｃｐ［００１］結晶方位を有する上側の金属層）は、その上方にあるスピンバルブ構造の［１１１］構造を強固なものにし、これにより、積層されたＳＩＬおよび磁界生成層のＰＭＡが最適化されるというさらなる利点をもたらす。
【００４６】
図７（ａ）は、一つの実施の形態に係るＭＡＭＲ素子におけるボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造の断面を表すものである。
【００４７】
基板２０は、例えば、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、またはＣｏＦｅＮｉからなる主磁極層である。基板２０の上には、層２１〜２５を含むスピンバルブ積層構造（以下、スピントランスファー発振器（ＳＴＯ：spin transfer oscillator）６０と称する。）が形成されている。
【００４８】
基板２０の上には、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる構成を有するｆｃｃ［１１１］格子構造の複合シード層２１が形成されている。下部Ｔａ層は、０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、基板２０と接触する。中間Ｒｕ層は、約１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、下部Ｔａ層の上に形成される。上部Ｃｕ層は、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ程度の厚さを有し、中間Ｒｕ層の上に形成される。
【００４９】
他の態様においては、上部Ｃｕ層を取り除き、Ｔａ／Ｍ１（Ｍ１はＲｕ、ＣｕもしくはＡｕ、またはＮｉＣｒ合金）という２層構成の複合シード層２１を用いてもよい。Ｔａ／Ｒｕの複合シード層２１の場合、下部Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、上部Ｒｕ層の厚さは１ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。必要に応じて、Ｒｕは、ｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］格子構造を有する金属層Ｍ１によって置き換えてもよく、例えば、複合シード層２１は、Ｔａ／Ｃｕ、Ｔａ／ＡｕまたはＴａ／ＮｉＣｒという構成を有してもよい。これらの構成において、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ程度であり、Ｃｕの厚さは２ｎｍ〜５ｎｍ程度であり、ＮｉＣｒの厚さは４ｎｍ〜１０ｎｍ程度である。
【００５０】
もう１つの実施の形態においては、３層構成の複合シード層２１の場合、上部Ｃｕ層をＴｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、ＡｕまたはＡｇ等の金属Ｍ２（Ｍ１とは異なる金属）によって置き換えてＴａ／Ｍ１／Ｍ２なる構造にしてもよい。Ｍ２の厚さは、０．１ｎｍ〜１０ｎｍ程度とする。但し、複合シード層２１の成膜に当たっては、下部Ｔａ層の上にｆｃｃ［１１１］またはｈｃｐ［００１］結晶方位を有する少なくとも１つの金属層を成膜することにより、下部Ｔａ層の上方にある他のスピンバルブ構成層の［１１１］結晶構造を強固なものとし、それによって、その上方にある（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）x なる多層構造を有するＳＩＬ２２のＰＭＡの程度を増加させることが重要である。もう１つの実施の形態においては、複合シード層は、ＮｉＣｒと、ＴａおよびＲｕのうちの少なくとも一方とを用いて構成してもよい。
【００５１】
複合シード層２１の上には、（Ａ１／Ａ２）X という多層構造を有する、リファレンス層としてのＳＩＬ２２が形成されている。ここで、ｘは、磁気膜厚Ｍｓｔの条件から、５〜５０である。この（Ａ１／Ａ２）X という多層構造に含まれる複数の磁性層Ａ１はそれぞれ、厚さが０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍ程度であり、０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍ程度が望ましい。（Ａ１／Ａ２）X という多層構造に含まれる複数の磁性層Ａ２はそれぞれ、厚さが０．２ｎｍ〜１ｎｍ程度であり、０．３５ｎｍ〜０．８ｎｍ程度が望ましい。
【００５２】
磁性層Ａ２の厚さｔ２は、磁性層Ａ１の厚さｔ１よりも大きいことが望ましく、隣り合う磁性層Ａ１と磁性層Ａ２との間のスピン軌道相互作用を最適化するために、ｔ２をｔ１の２倍程度とすることがさらに望ましい。なお、後述するように、磁性層Ａ１および磁性層Ａ２は、Ａ１／Ａ２界面が保存されるような方法によって成膜する。ある態様において、ｔ１が０．２ｎｍ以下の場合には、磁性層Ａ１は「最密」層であると考えられ、必ずしも（１１１）結晶方位を有さない。
【００５３】
ある実施の形態において、磁性層Ａ１はＣｏＦｅからなり、磁性層Ａ２はＮｉからなる。この場合、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X 積層構造内の各ＣｏＦｅ層は、［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ］なる構成を有する（但し、ｚは０〜９０原子％）。
【００５４】
他の実施の形態においては、ＳＩＬ２２の（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X なる積層構造は、［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］X 、［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］X 、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］X 、または［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］X のうちの１つによって置き換えてもよい。なお、ＮｉＦｅ層およびＮｉＣｏ層を用いる場合、そのＮｉ含有量は５０原子％〜１００原子％である。
【００５５】
また、磁性層Ａ１として厚さｔ１のＣｏＦｅＲ層を用い、ＳＩＬ２２を、［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］X 、［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］X 、または［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］X という構成にしてもよい。ここで、Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、Ｍｎ、またはＣｕ等の金属であり、ＣｏＦｅＲ合金におけるＲ含有量は１０原子％未満であることが望ましい。
【００５６】
上記列挙例は、ＳＩＬ２２におけるＡ１／Ａ２の組み合わせ例の一部を示すものに過ぎず、より一般化すると、磁性層Ａ１は、Ｃｏ、ＣｏＦｅまたはＣｏＦｅＲ（Ｒは、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｍｇ、ＭｎまたはＣｕ）から選択され、磁性層Ａ２は、Ｎｉ、ＮｉＦｅまたはＮｉＣｏ（ＮｉＦｅおよびＮｉＣｏにおけるＮｉ含有量は５０原子％ないし１００原子％）から選択される。
【００５７】
ＳＩＬ２２の上には、非磁性スペーサ２３が形成されている。この非磁性スペーサ２３は、ＣＰＰ−ＧＭＲの構成においてはＣｕにより構成され、ＣＰＰ−ＴＭＲの構成においては、ＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX 、ＺｎＯX 、もしくはその他の金属酸化物等の誘電体、または、一般に絶縁層として用いられる金属窒化物によって構成される。ＣＰＰ−ＴＭＲの構成では、他の金属酸化物よりも高いＭＲ比を得ることができるＭｇＯが非磁性スペーサとして特に好ましい。
【００５８】
ＣＰＰ−ＴＭＲの構成の場合、金属酸化物は、次のような工程によって好適に形成される。まず、スパッタ成膜法によって金属を堆積したのち、ラジカル酸化（ＲＯＸ：radical oxidation ）処理または自然酸化（ＮＯＸ：natural oxidation ）処理を施し、この処理により形成された酸化金属層の上に第２の金属層を形成する。これにより、非磁性スペーサのプロセスが完了する。
【００５９】
ＣＰＰ−ＧＭＲの構成の場合には、金属スペーサが用いられるが、通常はＣｕが選択される。Ｃｕスペーサは、再生または記録の際に、電流をＳＴＯ構造の層２１〜２５に対して膜面垂直方向に（ＣＰＰ：current perpendicular to plane）流すことができる優れた伝導性を有するからである。Ｃｕスペーサ２３は、ＳＩＬ２２とＦＧＬ２４との結合を防ぐために十分な厚さを有することが好ましく、例えば１．５ｎｍ〜１５ｎｍ程度、より好ましくは２ｎｍ〜６ｎｍ程度の厚さを有することが望ましい。
【００６０】
非磁性スペーサ２３の上には、ＦＧＬ２４が形成されている。このＦＧＬ２４は、スピントロニクス素子において、スピントランスファー磁化スイッチングを可能とするために、高いスピン偏極と、小さい磁気減衰係数とを有することが望ましい。ＦＧＬ２４は、ＦｅＣｏ、またはＡｌ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｂ、Ｃ、ＳｅおよびＳｎのうちから選択される少なくとも１つの原子を含むＦｅＣｏ合金からなり、容易軸方向に沿って配向される大きな磁気モーメント（高飽和磁束密度Ｂｓ）を有する磁性（強磁性）層である。ここで、容易軸方向とは、十分な大きさのスピントルクが印加されたときに磁化が逆方向に切り替わるような軸の方向である。
【００６１】
好適な実施の形態において、ＦＧＬ２４としては、Ｆｅ含有量が５０原子％以上であり、厚さが５ｎｍ〜３０ｎｍのＦｅＣｏ層が採用されるが、Ｆｅ含有量が５０原子％未満であるＣｏＦｅ層であってもよい。
【００６２】
一実施の形態によると、ＳＴＯ６０の最上部層は、記録シールド２６と接触する複合キャップ層２５である。ある態様において、キャップ層２５は、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなる構成を有する。これらのうち、上部Ｒｕ層は耐酸化性をもたせるために用いられ、優れた電気的接点として作用する。キャップ層として薄いＲｕ層を用いると、Ｒｕの強いスピン散乱効果のために、臨界電流密度（Ｊｃ）が大幅に減少する。臨界電流密度（Ｊｃ）は、９０ｎｍ技術ノード以上におけるスピントランスファー磁化スイッチングを実現すべく、約１０6 Ａ／ｃｍ2 とすることが望ましい。値が高すぎると、ＣＰＰ−ＴＭＲにおいて用いられるＡｌＯX またはＭｇＯ等の薄いトンネルバリアが破壊される可能性がある。複合キャップ層２５は、後に続く処理工程においてエッチング耐性を備えるために、Ｔａ層を含む。必要に応じて、従来用いられているキャップ層をキャップ層２５として用いてもよい。
【００６３】
望ましいＭＡＭＲ素子を得るためには、ＦＧＬによって大きな交流磁界Ｈａｃを生成しなければならない。このことは、ＦＧＬ材料において高い飽和磁束密度Ｂｓが必要であることを意味する。飽和磁界が大きくなれば、Ｈａｃも大きくなるからである。しかしながら、飽和磁界が増加しすぎると、臨界電流密度が大きくなりすぎ、信頼性に深刻な懸念が生じる。前述の参照文献におけるSlonczewski のモデルによると、ＦＧＬがいったんＰＭＡまたは部分的ＰＭＡを得ると、スピントランスファーのための臨界電流密度が大幅に小さくなる。
【００６４】
そこで我々は、後述のように、例えばＣｏＦｅ／ＮｉのようなＰＭＡを示す積層構造を採用し、これとの交換結合によって、例えばＦｅＣｏのような高ＢｓのＦＧＬに部分的ＰＭＡを誘導するようにした。理論的には、高いＰＭＡと高いＢｓとを有する材料からなる積層構造を有する複合ＦＧＬは、高いモーメントと部分的ＰＭＡとを生じさせ、これにより、ＦＧＬ発振を強くアシストして交流磁界Ｈａｃを増加させることができる。
【００６５】
図８ａは、図７ａに示したボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造の変形例を表すもので、高Ｂｓ層であるＦｅＣｏを含む磁界生成層２４に所定の多層積層体を追加することにより、（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏなる構成を有するＦＧＬ２８としたものである。そのような構造のＦＧＬ２８として、例えば、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏ（ｙ＝５〜３０）が挙げられる。この場合、磁性層Ａ１は、厚さがｔ１のＣｏＦｅ層であり、磁性層Ａ２は厚さがｔ２のＮｉ層である。
【００６６】
その結果、本変形例におけるＳＴＯ構造の全体構成は、シード／｛（Ａ１／Ａ２）x なる構造の複合ＳＩＬ｝／スペーサ／｛［（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏ］なる構造の複合ＦＧＬ｝／キャップ層という形になる。ここで、（Ａ１／Ａ２）X および（Ａ１／Ａ２）Y の一方または双方における（Ａ１／Ａ２）の部分を、以下に列挙する積層構造のうちの１つによって置き換えてもよい。
［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］
［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］
【００６７】
また、複合ＦＧＬ内の５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の厚さを有する高Ｂｓ層であるＦｅＣｏ層を、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｂ、Ｃ、Ｓｅ、およびＳｎより選択された少なくとも１つの原子を含有するＦｅＣｏ合金またはＣｏＦｅ合金によって置き換えてもよい。なお、「ＦｅＣｏ合金」という表記はＦｅ含有量が５０原子％以上であることを示し、「ＣｏＦｅ合金」という表記はＦｅ含有量が５０原子％未満であることを示す。
【００６８】
図７ｂは、トップＳＩＬ型のＳＴＯ構造の一実施の形態を表すものである。これは、図７ａの場合と同様の層からなるＳＩＬ２２の位置とＦＧＬ２４の位置とを入れ替えたものである。その結果、基板２０の上に形成されるＳＴＯ６０は、シード層／ＦＧＬ／非磁性スペーサ／ＳＩＬ／キャップ層という構造になる。
【００６９】
シード層２１は基板２０と接し、キャップ層２５は最上層である。ＣＰＰ−ＧＭＲ構造の場合、ＳＴＯ６０は、例えば、（Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ）／ＦｅＣｏ／Ｃｕ／［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／（Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ）という構成を有する。ここで、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなるシード層、ＦｅＣｏからなるＦＧＬ、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y なる複合ＳＩＬ、およびキャップ層は、ボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造（図７ａ）の実施の形態において説明した、他の適切な材料によって置き換えてもよい。さらに、Ｃｕスペーサに代えて、ＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX もしくはＺｎＯX 等の他の金属酸化物または金属窒化物からなる誘電層を用いることにより、ＣＰＰ−ＴＭＲ構造を形成するようにしてもよい。基板２０は下部電極として機能し、書込シールド２６は、キャップ層２５の上に形成されてスピントロニクス素子の上部電極として機能するように構成可能である。
【００７０】
図８ｂは、図７ｂに示したトップＳＩＬ型のＳＴＯ構造の変形例を表すもので、高Ｂｓ層であるＦｅＣｏを含む磁界生成層２４に所定の多層積層体を追加することにより、（Ａ１／Ａ２）Y 、または（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏなる構成を有するＦＧＬ２８としたものである。そのような構造のＦＧＬ２８として、例えば、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏ（ｙ＝５〜３０）が挙げられる。
【００７１】
その結果、本変形例におけるＳＴＯ構造の全体構成は、シード／｛［（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏ］なる構造の複合ＦＧＬ｝／スペーサ／｛（Ａ１／Ａ２）x なる構造の複合ＳＩＬ｝／キャップ層という形になる。ここで、（Ａ１／Ａ２）X および（Ａ１／Ａ２）Y の一方または双方における（Ａ１／Ａ２）の部分を、以下に列挙する積層構造のうちの１つによって置き換えてもよい。
［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］
［Ｃｏ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］  
［ＣｏＦｅ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＦｅ（ｔ２）］
［ＣｏＦｅＲ（ｔ１）／ＮｉＣｏ（ｔ２）］
【００７２】
また、複合ＦＧＬ内の高Ｂｓ層であるＦｅＣｏ層は、Ａｌ、Ｇｅ、Ｓｉ、Ｇａ、Ｂ、Ｃ、Ｓｅ、およびＳｎより選択された少なくとも１つの原子を含有するＦｅＣｏ合金またはＣｏＦｅ合金によって置き換えてもよい。
【００７３】
さらに別の実施の形態として、ＳＩＬ２２およびＦＧＬ２８のそれぞれを、高Ｂｓ層であるＦｅＣｏ層またはその合金層と、高Ｂｓ層と交換結合する（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）の多層積層体とからなる複合構造体によって構成し、ＦｅＣｏ層またはその合金層に部分的ＰＭＡが生成されるようにしてもよい。この場合、例えば、ＳＩＬ２２は（Ａ１／Ａ２）X ／ＦｅＣｏ、ＦＧＬ２８は（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏという構成となる。したがって、基板２０の上のＳＴＯ６０は、以下のようなＣＰＰ‐ＧＭＲ構成を有することになる。
【００７４】
（Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ）／｛［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］x ／ＦｅＣｏ｝／Ｃｕ／｛［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏ｝／（Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ）
または
（Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕ）／｛［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］Y ／ＦｅＣｏ｝／Ｃｕ／｛［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］x ／ＦｅＣｏ｝／（Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕ）
【００７５】
この場合、［ＣｏＦｅ（ｔ１）／Ｎｉ（ｔ２）］x なる構造のＳＩＬと結合するＦｅＣｏ層は、厚さが約５ｎｍ〜１０ｎｍ程度であり、ＳＩＬの厚さよりも薄いことが望ましい。
【００７６】
また、上記したように、Ｃｕスペーサに代えて、ＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX またはＺｎＯX 等の他の金属酸化物または金属窒化物からなる誘電層を用いることにより、ＣＰＰ−ＴＭＲ構造を形成するようにしてもよい。さらに、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕシード層、ＦＧＬおよびＳＩＬの一方もしくは双方におけるＦｅＣｏ層、ＣｏＦｅ／Ｎｉなる積層のうちの一方もしくは双方の構成層、ならびにキャップ層は、前述した他の好適な材料によって置き換えてもよい。
【００７７】
図９は、Ｔａ１．０／Ｒｕ２．０／Ｃｕ２．０なるシード層の上に形成された、１０ｎｍの厚さを有するＦｅＣｏ層を含む比較例の構造のＭＨ曲線を表す。その結果は、ＦｅＣｏ層にＰＭＡが確立されていないことを示した。これは、スピンバルブ積層面と平行な容易軸方向に沿って長手方向に配向した磁気モーメントを有する一般的磁性材料から推測されたことである。
【００７８】
一方、本実施の形態において、Ｔａ１．０／Ｒｕ２．０／Ｃｕ２．０という構造のシード層の上に、（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．５）10／ＦｅＣｏ１０という構造の複合ＦＧＬを形成したところ、図１０に示すようなＭＨ曲線が結果として得られた。この結果から、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y という積層部分と高ＢｓのＦｅＣｏ層との間の交換結合によって、１６００［Ｏｅ］（＝約１．６×１０6 ／４π［Ａ／ｍ］）という相当な量のＰＭＡが生成されたことがわかる。なお、図９および図１０の双方において、ＦｅＣｏ１０という層におけるＦｅ含有量は７０原子％であり、アニーリングを、２２０℃にて、２時間行った。ここで述べた他の（Ａ１／Ａ２）Y なる積層構造もまた、［（Ａ１／Ａ２）Y ／ＦｅＣｏ１０］という構造の複合ＦＧＬにおけるＰＭＡ特性と同様のＰＭＡ特性をもたらすと推測される。
【００７９】
本実施の形態の変形例として、ボトムＳＩＬ型またはトップＳＩＬ型のいずれかを有するＣＰＰ−ＧＭＲ構成において、Ｃｕスペーサを電流路狭窄（ＣＣＰ：confining current path）スペーサに置き換え、ＣＣＰ−ＣＰＰ型のＧＭＲセンサとして構成してもよいと考えられる。このタイプのＧＭＲセンサでは、電流路狭窄スペーサを通る電流が、分結金属路および酸化物によって制限される。
【００８０】
ＣＣＰ−ＣＰＰ方式を用いると、Ｃｕ金属経路（電流経路）が、絶縁体テンプレートすなわちナノ酸化物層（ＮＯＬ：nano-oxide layer）によって制限されるため、ＭＲ比を大幅に高めることができる。ＮＯＬ層（図示せず）は、よく知られた方法によって形成される。例えば、下部Ｃｕ層の上にＡｌＣｕ層を形成したのち、このＡｌＣｕ層を、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）処理によって、分結Ｃｕ路（電流狭窄路）を内部に有するＡｌＯX マトリクスへと変換し、その後、ＮＯＬ（ＣＣＰ）層の上に上部Ｃｕ層を形成する。これにより、電流路狭窄スペーサが得られる。
【００８１】
ここに説明したＳＴＯ構造を有するすべての実施の形態における重要な特徴は、Ｔａ／Ｍ１またはＴａ／Ｍ１／Ｍ２なる構成を有する複合シード層２１は、ボトム側に設けられる積層ＳＩＬ２２における［１１１］格子構造およびＰＭＡ、またはボトム側に設けられる積層ＦＧＬ２８における［１１１］格子構造およびＰＭＡを強化促進するという点である。また、積層構造を有するＳＩＬ２２および積層構造を有するＦＧＬ２８を、それらの各内部にＣｏＦｅ／Ｎｉ（Ａ１／Ａ２）X 界面または（Ａ１／Ａ２）Y 界面が保存されるような方法によって形成する、という点も重要である。
【００８２】
図１１は、記録ヘッドを備えた記録再生一体型ヘッドの一実施の形態を表すものである。この記録再生一体型ヘッドは、ＳＴＯ６０が作り込まれたＭＡＭＲ構造の記録ヘッド８０を備えている。この図で、記録ヘッド８０は、上部シールド７４ａと、下部シールド７４ｂと、これらのシールド間に配置されたセンサ７３とを含む再生ヘッド７５を備えた記録再生一体型ヘッドの一部として図示されている。記録ヘッド８０は、第１の電極としてのトレーリングシールド７７と、第２の電極としての主磁極７６と、ＳＴＯ６０と、このＳＴＯ６０に電流を注入する導線７８とを含んで構成されている。
【００８３】
ＳＴＯ６０は、「トップＦＧＬ／ボトムＳＩＬ」型の構造を有する。上記のように、リファレンス層としてのボトムＳＩＬ２２は、ＦｅＣｏ等の高Ｂｓ層と交換結合する（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X 等の積層構造を有することが望ましく、図示しないシード層によって主磁極７６から分離されている。（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X という積層構造は、媒体移動方向と同じ方向に配向されたＰＭＡを呈する。ＦＧＬ２４は、ＳＩＬ２２よりもトレーリングシールド７７側に形成され、２本の矢印および破線円によって示されるように、磁化方向が自由に回転するようになっている。
【００８４】
図１２は、記録ヘッドを備えた記録再生一体型ヘッドの他の実施の形態を表すものである。この実施の形態においては、図１１と比べてＦＧＬ２４の位置とＳＩＬ２２の位置とが入れ替わり、「ボトムＦＧＬ／トップＳＩＬ」型の構造のＳＴＯ６０を有する記録ヘッド８０を構成している。ＦＧＬ２４は、図示しないシード層によって主磁極７６から分離され、ＳＩＬ２２はキャップ層によってトレーリングシールド７７から分離されている。記録再生一体型ヘッドは、媒体トラック７２が形成された基板７１の上のエアベアリング面に保持されながら、基板７１に対して相対移動するようになっている。
【００８５】
次に、本実施の形態にかかるＳＴＯ構造の製造方法について説明する。
【００８６】
上記した実施の形態にかかる様々なスピンバルブ構造の形成プロセスにおいて、ＣＰＰスピンバルブ積層内のすべての層は、スパッタ成膜システムによって形成可能である。ＣＰＰ積層は、例えば、それぞれが５つのターゲットを有する３つの物理気相成長（ＰＶＤ：physical vapor deposition ）チャンバと、酸化チャンバと、スパッタエッチングチャンバとを含むＡｎｅｌｖａ社のＣ−７１００薄膜スパッタリングシステム等を用いて形成される。ＰＶＤチャンバのうち、少なくとも１つは、同時スパッタリングが可能である。通常、スパッタ成膜プロセスは、超高真空中にアルゴンスパッタガスを導入する工程を含む。スパッタリングターゲットは、基板上に成膜すべき金属または合金によって構成される。スループットを向上させるために、スパッタシステムにおける１度のポンプダウンの後にすべてのＣＰＰ層を形成する。
【００８７】
本プロセスは、ＣＰＰスピンバルブ構造のすべての層を形成した後に行われるアニーリング工程をも含む。ＳＴＯ６０は、１５０°Ｃ〜３００°Ｃ、好ましくは１８０°Ｃ〜２５０°Ｃの温度で、０．５時間〜５時間にわたって加熱することによってアニールされる。複合シード層２１における［１１１］構造と、ＳＩＬ２２およびＦＧＬ２８におけるＣｏＦｅーＮｉスピン軌道相互作用とによってＰＭＡが確立されることから、アニーリング工程の間、磁界を印加する必要はない。但し、ＳＴＯ構造におけるＰＭＡをさらに増加させるため、アニーリングの間、磁界を印加してもよい。
【００８８】
本実施の形態における重要な特徴の一つは、（Ａ１／Ａ２）X という積層構造のＳＩＬ２２と、（Ａ１／Ａ２）Y という積層構造のＦＧＬ２８の形成方法にある。なお、ここで説明するものと同じ形成プロセスを、（Ｃｏ／ＮｉＦｅ）X 、（Ｃｏ／ＮｉＣｏ）X 、（ＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ）X 、（ＣｏＦｅ／ＮｉＣｏ）X 、（ＣｏＦｅＲ／Ｎｉ）X 、（ＣｏＦｅＲ／ＮｉＦｅ）X および（ＣｏＦｅＲ／ＮｉＣｏ）X 等の他の積層構造に適用することも可能である。
【００８９】
本実施の形態の形成プロセスでは、より低いＲＦパワーと高いＡｒ圧力とを用いて、基板の損傷を回避するようにする。その基板の上には、形成されたＣｏＦｅ／Ｎｉ界面が保存されてＰＭＡ特性が強化されるように、ＣｏＦｅ層およびＮｉ層をそれぞれ形成する。すなわち、直前に形成されたＣｏＦｅ表面やＮｉ表面に衝突するイオンのエネルギーを、それに続くＣｏＦｅ層およびＮｉ層のスパッタ成膜期間にわたって最小化することにより、スパッタリングプロセス中におけるイオン衝撃による損傷を減少させる。
【００９０】
一つの例として、ＳＩＬ２２およびＦＧＬ２８における磁性層Ａ１および磁性層Ａ２はそれぞれ、直流マグネトロンスパッタ成膜チャンバ内において、２００ワット未満の低いＲＦパワーを用い、１５立方センチメートル毎分（ｓｃｃｍ：standard cubic centimeters per minute ）を越える流量のＡｒガスを導入して形成する。磁性層Ａ１および磁性層Ａ２のそれぞれの形成に必要な時間は１分未満であり、（Ａ１／Ａ２）20という多層構造の形成に要する時間全体は約１時間未満である。
【００９１】
ＳＴＯ６０のすべての層を形成した後、ＳＴＯ６０を、周知のフォトレジストパターニングと反応性イオンエッチングとを含む一連のシーケエンスによって媒体移動方向に沿ってパターニングする。このとき、上から見て例えば長方形、楕円形、円形、または他の形状になるようにパターニングを行う。続いて、絶縁層（図示せず）を基板２０の上に形成した後、平坦化工程を施し、絶縁層をキャップ層２５と同一平面状に形成する。次に、当業者によって理解されるように、ＳＴＯ６０および絶縁層の上にトレーリングシールド７７を形成する。
【００９２】
（例１）
第１の実施例における、ボトムＳＩＬを有する一連のＳＴＯ構造を製造した。
このボトムＳＩＬの構成は、Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］X ／スペーサ／ＦｅＣｏ１０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という構造によって表される。各層の後ろの数値は、その層の厚みをナノメートルによって表す。
【００９３】
Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕはシード層として用いられ、ＦｅＣｏ１０はＦＧＬであり、（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．５）X 積層はＳＩＬである。ＳＩＬのＣｏＦｅ層はそれぞれ、２ｎｍの厚さを有し、Ｎｉ層はそれぞれ０．５ｎｍの厚さを有し、ｘは５〜５０である。ＣｏＦｅ積層におけるＦｅ含有量は０〜９０原子％である。ＣＰＰ‐ＧＭＲ用途においてはＣｕスペーサ、または他の金属スペーサを用い、ＣＰＰ−ＴＭＲ構造においては、ＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX 、またはＺｎＯX からなるスペーサを用いる。キャップ層は、Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３なる複合層である。
【００９４】
この実施例では、トルク計測に基づき、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X なる積層それぞれのＨｋが１５０００［Ｏｅ］（＝１．５×１０7 ／４π［Ａ／ｍ］）を越えると推定された。
【００９５】
（例２）
好適なボトムＳＩＬを製造した。
このボトムＳＩＬ構造は、Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］X ／スペーサ／［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y ／ＦｅＣｏ１０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という構造によって表される。この構造は、第１の実施の形態の変形例であり、非金属製スペーサと、ＦｅＣｏ１０なる層との間に（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y なる積層を挿入し、複合ＦＧＬを形成する（ｙは５以上３０以下である）。
【００９６】
この例の［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y という積層構造は、ＦｅＣｏ１０なる層と強く磁気結合しているため、［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y という積層構造の大きなＰＭＡによって、ＦｅＣｏの異方性は、局所的に膜面垂直方向に傾斜する。それにより、ＦＧＬ全体は低電流密度下において容易に発振可能となる。
【００９７】
（例３）
他の実施例における、トップＳＩＬを有する一連のＳＴＯ構造を製造した。
このトップＳＩＬの構成は、Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／ＦｅＣｏ１０／スペーサ／［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］X ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という構造によって表される。各層の後ろの番号は、その層の厚みをナノメートルによって表す。
【００９８】
Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕをシード層として用い、ＦｅＣｏ１０はＦＧＬであり、（ＣｏＦｅ０．２／Ｎｉ０．５）X なる積層はＳＩＬである。ＣｏＦｅ層はそれぞれ、２ｎｍの厚さを有し、Ｎｉ層はそれぞれ０．５ｎｍの厚さを有し、ｘは５以上５０以下とする。ＣｏＦｅ積層におけるＦｅ含有量は０原子％以上９０原子％以上とする。ＣＰＰ‐ＧＭＲ構造を有する実施の形態においては、Ｃｕスペーサ、または他の金属スペーサを用い、ＣＰＰ‐ＴＭＲ構造においては、ＡｌＯX 、ＭｇＯ、ＴｉＯX 、ＴｉＡｌＯX 、ＭｇＺｎＯX 、またはＺｎＯX スペーサを用いる。キャップ層は、Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３なる複合層である。
【００９９】
この実施例では、トルク計測に基づき、（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）X 積層それぞれのＨｋが、１５０００［Ｏｅ］（＝１．５×１０7 ／４π［Ａ／ｍ］）を越えると推定された。
【０１００】
（例４）
好適なトップＳＩＬを製造した。
このトップＳＩＬ構造は、Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y ／ＦｅＣｏ１０／スペーサ／［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］X ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という構造によって表される。この構造は、例３におけるトップＳＩＬ構造を有する実施例の変形例であり、シード層とＦｅＣｏ１０層との間に（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y という積層構造を挿入することにより、複合ＦＧＬを形成している（ｙ＝５〜３０）。
【０１０１】
この例の［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y という積層構造は、ＦｅＣｏ１０層と強く磁気結合しているため、［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y という積層構造の大きなＰＭＡによって、ＦｅＣｏの異方性は、局所的に膜面垂直方向に傾斜する。それにより、ＦＧＬ全体は低電流密度下において容易に発振可能となる。
【０１０２】
（例５）
他の好適な実施例として、例４に示すトップＳＩＬ構成をさらに変形し、［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］X という構造と交換結合するＦｅＣｏ層を含むように複合ＳＩＬを形成してもよい。その構造は、（Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２）／｛［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］Y ／ＦｅＣｏ｝／スペーサ／｛［Ｃｏ(100-Z) ＦｅZ ０．２／Ｎｉ０．５］X ／ＦｅＣｏ｝／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３という構造によって表される。
【０１０３】
この例において、多層積層体（ＣｏＦｅ／Ｎｉ）Y と結合する下部ＦｅＣｏ層は、５ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有し、ＳＩＬと結合する上部ＦｅＣｏ層は、５ｎｍ〜１０ｎｍの厚さを有する。複合ＳＩＬは、ＳＩＬの強固さ（安定性）を高めるために採用され、複合ＦＧＬは、上記のようにＦｅＣｏのＦＧＬ発振を補助するために採用される。すなわち、ＦｅＣｏ等の高Ｂｓ層と（ＦｅＣｏ／Ｎｉ）X 等のＰＭＡ積層構造との間の交換結合をうまく利用して、ＳＴＯ素子におけるリファレンス層としてのＳＩＬの磁化方向を保持するようにしている。スペーサは、Ｃｕまたは上記例に示す金属酸化物である。
【０１０４】
以上、ＳＴＯ素子におけるボトムＳＩＬ型のＳＴＯ構造およびトップＳＩＬ型のＳＴＯ構造について、様々な実施の形態を説明した。これらの構成においては、高いＰＭＡを呈する積層構造と高Ｂｓ層との間の磁気結合を用いて、高Ｂｓ層の異方性を膜面垂直方向に部分的に傾斜させるようにしている。それにより、低電流密度下において容易なＦＧＬ発振が可能になり、より大きい発振磁界（Ｈａｃ）が生成されることから、より優れた性能が実現可能となる。
【０１０５】
さらに、高いＰＭＡを呈する積層構造と高Ｂｓ層との間の磁気結合を含む複合ＳＩＬを用いることにより、スピン注入層をより強固なものとすることができ、性能が向上する。積層構造における高いＰＭＡは、ＣｏＦｅ膜およびＮｉ膜の形成の際に、ＣｏＦｅ／Ｎｉ界面が保存されてそこでのＰＭＡが保たれるように工夫することにより得られる。これにより、薄いシード層を備えている場合であっても優れた性能を得ることができる。
【０１０６】
好適な実施の形態を挙げて、本発明を具体的に示し、説明したが、当業者であれば、本発明は、その精神と範囲から離れることなく、形式および細部について様々な変更が可能であることがわかるであろう。
【符号の説明】
【０１０７】
２０…基板、２１…複合シード層、２２…スピン注入層（ＳＩＬ）、２３…非磁性スペーサ、２５…キャップ層、２４，２８…磁界生成層（ＦＧＬ）、６０…ＳＴＯ、７２…媒体トラック、７３…センサ、７５…再生ヘッド、７６…主磁極、７７…トレーリングシールド、８０…記録ヘッド。
【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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【図１２】
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