(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピントルク発振器（ＳＴＯ：spin torque oscillator）によってマイクロ波を生成させる方法であって、
平行に対向する第１および第２の外表面を有する非磁性スペーサ層を設け、
前記第１の外表面と垂直な容易軸を有すると共に前記第１の外表面と完全接触する第１のＦＧＬサブ層と、前記第２の外表面と平行な容易軸を有すると共に前記第１のＦＧＬサブ層と完全接触する第２のＦＧＬサブ層とからなる二層構造の磁界生成層（ＦＧＬ：field generation layer）を、前記第１の外表面と接触するように設け、
前記第１および第２の外表面に対して垂直な永久磁化を有するスピン注入層（ＳＩＬ：spin injection layer）を、前記第２の外表面に対して完全接触するように設け、
これにより、低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成させるようにしたマイクロ波生成方法。
【請求項２】
前記低電流密度は、５×１０7 Ａ／ｃｍ2 以上５×１０8 Ａ／ｃｍ2 以下である
請求項１に記載のマイクロ波生成方法。
【請求項３】
３０ＧＨｚよりも高い周波数において前記ＳＴＯに強磁性共鳴が生じるようにする
請求項２に記載のマイクロ波生成方法。
【請求項４】
前記ＳＴＯは、前記ＳＩＬと前記記録磁極との間に前記ＦＧＬが位置するトップＳＩＬ型のデバイスである
請求項１に記載のマイクロ波生成方法。
【請求項５】
前記ＳＴＯは、前記ＦＧＬと前記記録磁極との間に前記ＳＩＬが位置するボトムＳＩＬ型のデバイスである
請求項１に記載のマイクロ波生成方法。
【請求項６】
平行に対向する第１および第２の外表面を有する非磁性スペーサ層と、
前記第１の外表面と垂直な容易軸を有すると共に前記第１の外表面と完全接触する第１のＦＧＬサブ層と、前記第２の外表面と平行な容易軸を有すると共に前記第１のＦＧＬサブ層と完全接触する第２のＦＧＬサブ層とからなる二層構造を有し、前記第１の外表面と接触する磁界生成層と、
前記第１および第２の外表面に対して垂直な永久磁化を有し、前記第２の外表面と完全接触するスピン注入層と
を備え、
低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成する
スピントルク発振器（ＳＴＯ：spin torque oscillator）。
【請求項７】
前記低電流密度は、５×１０7 Ａ／ｃｍ2 以上５×１０8 Ａ／ｃｍ2 以下である
請求項６に記載のスピントルク発振器。
【請求項８】
３０ＧＨｚよりも高い周波数において強磁性共鳴が生じる
請求項６に記載のスピントルク発振器。
【請求項９】
前記ＳＴＯは、前記ＳＩＬと前記記録磁極との間に前記ＦＧＬが位置するトップＳＩＬ型のデバイスとなっている
請求項６に記載のスピントルク発振器。
【請求項１０】
前記ＳＴＯは、前記ＦＧＬと前記記録磁極との間に前記ＳＩＬが位置するボトムＳＩＬ型のデバイスである
請求項６に記載のスピントルク発振器。
【請求項１１】
前記非磁性スペーサは、Ｃｕ層，ＭｇＯ層，ＡｌＯｘ層，ＴｉＯｘ層，ＺｎＯ層，および狭窄電流路（ＣＣＰ：current confining paths ）構造よりなる群（但し、前記狭窄電流路構造は、Ｃｕ層／ＣＣＰ層／Ｃｕ層、またはＣｕ層／ＺｎＯ層／Ｃｕ層なる構造を含み、前記ＣＣＰは、ＡｌＣｕ層／ＰＩＴ（プラズマイオン処理）／ＩＡＯ（イオンアシスト酸化）により形成される）から選択される
請求項６に記載のスピントルク発振器。
【請求項１２】
Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層構造を有するシード層と、
前記シード層の上に設けられ、厚さｔ２のＣｏ100-x Ｆｅx の上に厚さｔ１のＮｉを積層した［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］構造をｎ回繰り返してなる積層体を含む第１の多層構造と、
前記第１の多層構造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設けられ、厚さｔ４のＣｏ100-y Ｆｅy の上に厚さｔ３のＮｉを積層した［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］構造をｍ回繰り返してなる積層体を含む第２の多層構造と、
前記第２の多層構造の上に形成されたＦｅＣｏ層と、
前記ＦｅＣｏ層の上に設けられた、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなる積層構造を有するキャップ層と
を備えたボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１３】
前記シード層において、前記Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下であり、前記Ｒｕ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、前記Ｃｕ層の厚さは０以上１０ｎｍ以下である
請求項１２に記載のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１４】
前記第１および第２の多層構造において、前記Ｃｏ100-x Ｆｅx 層の厚さｔ２および前記Ｃｏ100-y Ｆｅy 層の厚さｔ４は０．１５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下であり、前記Ｎｉの厚さｔ１およびｔ３は０．３５ｎｍ以上０．８ｎｍ以下であり、前記Ｃｏ100-x Ｆｅx 層におけるｘおよび前記Ｃｏ100-y Ｆｅy 層におけるｙは０以上９０％以下である
請求項１２に記載のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１５】
前記第１および第２の多層構造において、前記Ｃｏ100-x Ｆｅx 層の厚さｔ２および前記Ｃｏ100-y Ｆｅy 層の厚さｔ４は０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下であり、前記Ｎｉの厚さｔ１およびｔ３は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下であり、前記Ｃｏ100-x Ｆｅx 層におけるｘおよび前記Ｃｏ100-y Ｆｅy 層におけるｙは０以上９０％以下である
請求項１２に記載のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１６】
前記第１および第２の多層構造における前記繰り返し数ｎおよびｍは、１０以上３０以下である
請求項１２に記載のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１７】
前記第１および第２の多層構造における前記繰り返し数ｎおよびｍは、５以上５０以下である
請求項１２に記載のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１８】
前記［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］構造および前記［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］構造におけるＮｉは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄ，ＴｂＦｅ，およびＴｂＣｏからなる群より選択される材料によって置換可能である
請求項１２に記載のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【請求項１９】
Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層構造を有するシード層と、
前記シード層の上に形成されたＦｅＣｏ層と、
前記ＦｅＣｏ層の上に設けられ、厚さｔ２のＣｏ100-x Ｆｅx の上に厚さｔ１のＮｉを積層した［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］構造をｎ回繰り返してなる積層体を含む第１の多層構造と、
前記第１の多層構造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設けられ、厚さｔ４のＣｏ100-y Ｆｅy の上に厚さｔ３のＮｉを積層した［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］構造をｍ回繰り返してなる積層体を含む第２の多層構造と、
前記第２の多層構造の上に形成された、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなる積層構造を有する三重層と
を備えたトップＳＩＬ型のスピントルク発振器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波アシスト磁気記録（MAMR : microwave assisted magnetic recording）技術の分野、特に、そのようなＭＡＭＲにおいて用いられるマイクロ波生成方法およびスピントルク発振器に係わり、より具体的には、そのようなスピントルク発振器における磁界生成部分の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波アシスト磁気記録は、１平方インチあたり１テラビットを超える垂直磁気記録を可能にすると期待されている、いくつかの次世代技術のうちの１つである。この方式では、磁界生成器は記録デバイスにごく近接して配置され、媒体膜面において高周波数の発振磁界を生成する。発振磁界の周波数の範囲は、５ＧＨｚ〜５０ＧＨｚであると考えられる。強磁性共鳴（ＦＭＲ：ferromagnetic resonance ）によって、通常の保磁力を下回る磁界下において、すなわち、より低い記録磁界を用いて、媒体粒子をスイッチすることが可能となる。但し、これはマイクロ波アシスト記録デバイスのごく近くでのみ可能である。
【０００３】
マイクロ波磁界生成器とは、基本的に、スピントルク発振器（ＳＴＯ：spin torque oscillator）である。これは、電流が、膜に対して垂直に流れ、スペーサ層を通ってリファレンス層へと至る点で、ＣＰＰ（current-perpendicular-to-plane）−ＧＭＲ（giant magneto-resistive ）構造、またはＣＰＰ−ＴＭＲ（tunneling magneto-resistive ）構造と類似している。しかしながら、積層内の磁化方向は、ＣＰＰ−ＧＭＲ／ＴＭＲセンサとは異なっている。
【０００４】
図１の上側の枠部に模式的に示すように、ＳＴＯの最も単純な構成は、スピン注入層  （ＳＩＬ：spin injection layer）１２、非磁性スペーサ１６（金属、または絶縁体）、および磁界生成層（ＦＧＬ：field generating layer）１３からなる三層積層構成である。ＳＩＬ１２の磁化は、外部磁界、またはＳＩＬ自体の垂直磁気異方性（ＰＭＡ：perpendicular magnetic anisotropy ）によって、膜面に対して垂直に維持される必要がある。発振積層体１４内の電子がＳＩＬ１２に移動すると、それらの電子のスピンはＳＩＬ１２に存在する磁化によって偏極される。そのスピン偏極度は、リファレンス層１７と同じ方向の磁化を有する電子がスペーサ１６へ移動し得る確率が大きいほど増大する。そして、ＦＧＬ１３においてスピントルク発振が生じ、その結果、マイクロ波が生成される。
【０００５】
図１の下側の部分は、ＭＡＭＲにおいてＳＴＯを使用する際に、垂直磁気記録ヘッドの一部として、ＳＴＯをどのように配置するかを示している。ＳＴＯ（図１上側の枠部に示すＳＴＯの向きを９０°回転させたもの）は、上部電極１１が主磁極２２に近く、下部電極１８がトレーリングシールド２１に近くなるように配置される。データ記録の際は、ＳＴＯから生じるマイクロ波が、主磁極２２のすぐ前にある記録媒体層２０（軟磁性下地層１９の上方に示す）に対して照射される。
【０００６】
スピントランスファートルク（ＳＴＴ：spin-transfer torque）磁化スイッチングに関するC.Slonczewski の論文（非特許文献１）は、ＳＴＴ‐ＭＲＡＭのようなギガビット規模のスピントロニクスデバイスにＳＴＴ磁化スイッチングを応用できる可能性があるとして、多大な関心を集めた。近年、Ｊ‐Ｇ．Ｚｈｕ等による非特許文献２では、スピントランスファー発振器という別のスピントロニクスデバイスが示された。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運動量効果によって、垂直記録構造において、媒体の保磁力を大幅に下回るヘッド磁界での記録が可能となっている。図１参照。
【０００７】
Headway のK.Zhang 等による最近の２つの特許出願（特許文献１，２）では、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕからなるシード層の合計膜厚を比較的薄くすることにより、［Ｃｏ／Ｎｉ］×  ｎおよび［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｎ といういずれの多層システムにおいても、大きな垂直磁気異方性（ＰＭＡ）を確立できることが示されている。よって、これらの［Ｃｏ／Ｎｉ］×ｎ または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｎ 、またはその双方からなる多層ＰＭＡシステムを用いて、効果的なＭＡＭＲデバイスを製造することができる。
【０００８】
さらに、ＰＭＡを有する［Ｃｏ／Ｎｉ］×ｎ 多層構造または［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｎ 多層構造などの磁性層を挿入することによって、ＦｅＣｏやＦｅＣｏＡｌ等のＦＧＬの性能を向上し得ることが示されている。しかしながら、これらの特許出願は、トップ型ＳＴＯの場合に採り得るすべてのスキームを網羅していない。本発明は、ＦｅＣｏ等の高飽和磁化（Ｍｓ）材料と［Ｃｏ（Ｆｅ）／Ｎｉ］多層構造ＰＭＡとの組み合わせによってＦＧＬを形成するようにした特定のＳＴＯ構造を開示するものである。    
【０００９】
通常通り、従来技術に関する調査を行い、下記のような興味深い参照文献を発見した。
【００１０】
Zhu 等による特許文献３には、垂直成分および面内成分の双方を有し、マイクロ波アシスト磁気記録に用いられるリファレンス積層体が開示されている。また、Shimazaki 等による特許文献４には、垂直異方性を有する第１の磁性膜と、垂直異方性または面内異方性のいずれかを有する第２の磁性膜とが示されている。
【００１１】
Zhu 等による特許文献３は、より弱いＰＭＡの層を有するリファレンス層システムをカバーすることを提案している。このシステムでは、例えば、面内異方性と面外異方性の双方を備える一方、面内異方性よりも面外異方性を大きくすることによって、磁化を部分的に面外へ傾斜させるようにしている。このシステムは、下記で明らかにするように、面内異方性と面外異方性とを異なる層に備えた本発明とは異なるものである。Zhu 等は、異方性が面内で部分的に傾斜していても、異方性の面内成分は存在していることから、センサなしでも十分な信号読み出しを行うことができると推測している。このことは、もし傾斜がなければ、発振層とリファレンス層とは互いに平行であるため（ＣＰＰＧＭＲ＝０）、読み出しはゼロになることを示唆している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】米国特許出願第１２／４５６，６２１号
【特許文献２】米国特許出願第１２／８００，１９６号
【特許文献３】米国特許第７，６１６，４１２号
【特許文献４】米国特許第７，３５２，６５８号
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】「Current driven excitation of magnetic multilayers 」、J. Magn. Mater. 、V159、L1-L7 、１９９６年
【非特許文献２】「Microwave Assisted Magnetic Recording 」、IEEE. Trans. Magn. 44 、125 、２００８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の少なくとも１つの実施の形態の目的は、低電流密度下においてマイクロ波を生成するスピントルク発振器（spin torque oscillator）を提供することにある。
【００１５】
本発明の少なくとも１つの実施の形態の他の目的は、低電流密度下においてスピントルク発振器によりマイクロ波を生成する方法を提供することにある。
【００１６】
本発明の少なくとも１つの実施の形態のさらに他の目的は、マイクロ波アシスト磁気記録における使用に適したスピントルク発振器を得ることにある。
【００１７】
本発明の少なくとも１つの実施の形態のさらに他の目的は、現在の製造方法に対して高い互換性を有する、スピントルク発振器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】
【００１８】
上記の目的は、従来の磁界生成層（ＦＧＬ：Field Generation Layer）を、ＦＧＬ１およびＦＧＬ２からなる二重層によって置き換えることで達成される。ＦＧＬ１の特徴は、容易軸がスペーサに対して垂直である（すなわち、ＰＭＡを示す）一方、ＦＧＬ２の容易軸がスペーサ層に対して平行である（すなわち、従来の面内異方性を示す）点にある。
【００１９】
ＦＧＬ１とＦＧＬ２とは、互いに強く交換結合しているため、同時に励起されてまるで単層であるかのように発振する。
【００２０】
本発明において重要なことは、デバイスのスピン注入層（ＳＩＬ：spin injection layer）がスペーサ層の上方または下方のいずれにあるかによらず、（ＰＭＡを有する）ＦＧＬ１が（面内異方性を有する）ＦＧＬ２よりもスペーサ層の近くに配置されることである。
【００２１】
より具体的には、本発明の目的は以下の構成によって実現される。
【００２２】
本発明のマイクロ波生成方法は、スピントルク発振器によってマイクロ波を生成させる方法であって、平行に対向する第１および第２の外表面を有する非磁性スペーサ層を設け、第１の外表面と垂直な容易軸を有すると共に第１の外表面と完全接触する第１のＦＧＬサブ層と、第２の外表面と平行な容易軸を有すると共に第１のＦＧＬサブ層と完全接触する第２のＦＧＬサブ層とからなる二層構造の磁界生成層を、第１の外表面と接触するように設け、第１および第２の外表面に対して垂直な永久磁化を有するスピン注入層を、第２の外表面に対して完全接触するように設け、これにより、低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成させるようにしたものである。
【００２３】
本発明のスピントルク発振器は、平行に対向する第１および第２の外表面を有する非磁性スペーサ層と、第１の外表面と垂直な容易軸を有すると共に第１の外表面と完全接触する第１のＦＧＬサブ層と、第２の外表面と平行な容易軸を有すると共に第１のＦＧＬサブ層と完全接触する第２のＦＧＬサブ層とからなる二層構造を有し、第１の外表面と接触する磁界生成層と、第１および第２の外表面に対して垂直な永久磁化を有し、第２の外表面  と完全接触するスピン注入層とを備え、低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成するものである。
【００２４】
本発明のスピントルク発振器およびマイクロ波生成方法では、例えば５×１０7 Ａ／ｃｍ2 〜５×１０8 Ａ／ｃｍ2 という低電流密度下において、例えば３０ＧＨｚよりも高い周波数の強磁性共鳴が生じるようにすることができる。このようなスピントルク発振器は、ＳＩＬと記録磁極との間にＦＧＬが位置するトップＳＩＬ型のデバイスとして構成可能であるし、あるいは、ＦＧＬと記録磁極との間にＳＩＬが位置するボトムＳＩＬ型のデバイスとしても構成可能である。なお、非磁性スペーサは、Ｃｕ層，ＭｇＯ層，ＡｌＯｘ層，ＴｉＯｘ層，ＺｎＯ層，および狭窄電流路（ＣＣＰ：current confining paths ）構造よりなる群から選択可能である。但し、狭窄電流路構造は、Ｃｕ層／ＣＣＰ層／Ｃｕ層、またはＣｕ層／ＺｎＯ層／Ｃｕ層なる構造を含み、ＣＣＰは、ＡｌＣｕ層／ＰＩＴ（プラズマイオン処理）／ＩＡＯ（イオンアシスト酸化）により形成可能である。
【００２５】
本発明のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層構造を有するシード層と、シード層の上に設けられ、厚さｔ２のＣｏ100-x Ｆｅx の上に厚さｔ１のＮｉを積層した［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］構造をｎ回繰り返してなる積層体を含む第１の多層構造と、第１の多層構造の上に形成された非磁性スペーサ層と、非磁性スペーサ層の上に設けられ、厚さｔ４のＣｏ100-y Ｆｅy の上に厚さｔ３のＮｉを積層した［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］構造をｍ回繰り返してなる積層体を含む第２の多層構造と、第２の多層構造の上に形成されたＦｅＣｏ層と、ＦｅＣｏ層の上に設けられた、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなる積層構造を有するキャップ層とを備えたものである。
【００２６】
本発明のボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器では、シード層Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕにおいて、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下、Ｒｕ層の厚さは０．５ｎｍ以上１０ｎｍ以下、Ｃｕ層の厚さは０以上１０ｎｍ以下とすることが好ましい。また、第１および第２の多層構造において、Ｃｏ100-x Ｆｅx 層の厚さｔ２およびＣｏ100-y Ｆｅy 層の厚さｔ４は０．０５ｎｍ以上０．５ｎｍ以下、より好ましくは０．１５ｎｍ以上０．３ｎｍ以下とし、Ｎｉの厚さｔ１およびｔ３は０．２ｎｍ以上１ｎｍ以下、より好ましくは０．３５ｎｍ以上０．８ｎｍ以下とし、Ｃｏ100-x Ｆｅx 層におけるｘおよびＣｏ100-y Ｆｅy 層におけるｙは０以上９０％以下とすることが好ましい。繰り返し数ｎおよびｍは５以上５０以下であり、１０以上３０以下とすることがより好ましい。また、［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］構造および［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］構造におけるＮｉは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄ，ＴｂＦｅ，およびＴｂＣｏからなる群より選択される材料によって置換可能である。
【００２７】
本発明のトップＳＩＬ型のスピントルク発振器は、Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層構造を有するシード層と、シード層の上に形成されたＦｅＣｏ層と、ＦｅＣｏ層の上に設けられ、厚さｔ２のＣｏ100-x Ｆｅx の上に厚さｔ１のＮｉを積層した［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］構造をｎ回繰り返してなる積層体を含む第１の多層構造と、第１の多層構造の上に形成された非磁性スペーサ層と、非磁性スペーサ層の上に設けられ、厚さｔ４のＣｏ100-y Ｆｅy の上に厚さｔ３のＮｉを積層した［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］構造をｍ回繰り返してなる積層体を含む第２の多層構造と、第２の多層構造の上に形成された、Ｒｕ／Ｔａ／Ｒｕなる積層構造を有する三重層とを備えたものである。
【００２８】
なお、低電流密度下において垂直記録磁極の近傍にマイクロ波を生成させることが可能な本発明のスピントルク発振器は、平行に対向する第１および第２の外表面を有する非磁性スペーサ層を設ける工程と、第１の外表面と垂直な容易軸を有すると共に第１の外表面と完全接触する第１のＦＧＬサブ層と、第２の外表面と平行な容易軸を有すると共に第１のＦＧＬサブ層と完全接触する第２のＦＧＬサブ層とからなる二層構造の磁界生成層を、第１の外表面と接触するように設ける工程と、第１および第２の外表面に対して垂直な永久磁化を有するスピン注入層を、第２の外表面に対して完全接触するように設ける工程とを含む製造方法によって製造可能である。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のスピントルク発振器およびマイクロ波生成方法によれば、従来の磁界生成層に代えて、容易軸がスペーサに対して垂直な（ＰＭＡを示す）ＦＧＬ１と、容易軸がスペーサ層に対して平行なＦＧＬ２とからなる二重層を採用すると共に、ＦＧＬ１をＦＧＬ２よりもスぺーサ層の近くに配置するようにしたので、低電流密度下においてマイクロ波を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のＭＡＭＲデバイスを表す図である。
【図２Ａ】下側にＳＩＬを備えた従来のＭＡＭＲ構造の要部を表す図である。
【図２Ｂ】上側にＳＩＬを備えた従来のＭＡＭＲ構造の要部を表す図である。
【図３Ａ】図２Ａに示した従来デバイスに対応する本発明のデバイス構造を表す図である。
【図３Ｂ】図２Ｂに示した従来デバイスに対応する本発明のデバイス構造を表す図である。
【図４Ａ】部分異方性を有するＦＧＬにおけるＳＴＯ試験チップ（ＴＣ：testchip）ウェハに関する実験結果を示すグラフである。
【図４Ｂ】部分異方性を有するＦＧＬにおけるＳＴＯＴＣウェハに関する他の実験結果を示すグラフである。
【図４Ｃ】部分異方性を有するＦＧＬにおけるＳＴＯＴＣウェハに関する他の実験結果を示すグラフである。
【図４Ｄ】部分異方性を有するＦＧＬにおけるＳＴＯＴＣウェハに関する他の実験結果を示すグラフである。
【図５Ａ】部分異方性を有するＦＧＬを不適切な位置に挿入した場合のＳＴＯＴＣに関する実験結果である。
【図５Ｂ】部分異方性を有するＦＧＬを不適切な位置に挿入した場合のＳＴＯＴＣに関する他の実験結果である。
【図５Ｃ】部分異方性を有するＦＧＬを不適切な位置に挿入した場合のＳＴＯＴＣに関する他の実験結果である。
【図５Ｄ】部分異方性を有するＦＧＬを不適切な位置に挿入した場合のＳＴＯＴＣに関する他の実験結果である。
【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説明する。
【００３２】
ＭＡＭＲデバイスを機能させるべく、ＦＧＬは、通常、ＦＧＬ材料の最も高い飽和磁化（Ｂｓ）と連携して、大きな高周波磁界（Ｈａｃ）を生成することが求められる。しかしながら、Ｂｓが大きすぎると臨界電流密度もまた非常に大きくなり、その結果、信頼性に深刻な懸念が生じる。
【００３３】
前述のSlonczewski モデルは、ＦＧＬがＰＭＡまたは部分的ＰＭＡを有する場合に、スピントランスファーの臨界電流密度を大幅に低減させ得ることを示唆している。本発明は、ＦｅＣｏ等の高飽和磁化を有するＦＧＬ材料に、交換結合による部分的ＰＭＡを生じさせるには、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］多層構造のＰＭＡをどのように利用すればよいかを開示するものである。そうすること、すなわち、部分的ＰＭＡを有する高モーメントＦＧＬ材料を用いることによって、ＦＧＬ発振が大幅に始まり易くなるのである。
【００３４】
図２Ａおよび図２Ｂは、比較例に係るスピントルク発振器の構造を表し、図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の実施の形態に係るスピントルク発振器の構造を表すものである。図２ＡではＳＩＬ１２が下側に位置し、図２ＢではＳＩＬ１２が上側に位置している。これらの図ではまた、スペーサ１６およびＦＧＬ１３も示している。
【００３５】
図３Ａは、ＦＧＬ３３の下方にＳＩＬ１２を有するボトムスピン注入型のスピントルク発振器を示し、図３Ｂは、ＦＧＬ３３の上方にＳＩＬ１２を有するトップスピン注入型のスピントルク発振器を示す。いずれの場合も、ＦＧＬ３３が均一な単層ではなく、ここでは２つのサブ層、すなわち、第１のＦＧＬサブ層（ＦＧＬ１）３３１および第２のＦＧＬサブ層（ＦＧＬ２）３３２によって構成されている。
【００３６】
図３Ａおよび図３Ｂの双方において、第１のＦＧＬサブ層３３１は、スペーサ１６に最も近い位置に設けられ、スペーサ１６の２つの対向面に対して垂直な容易軸を有する（すなわち、従来のＰＭＡを示す）。他方、第２のＦＧＬサブ層３３２の容易軸はスペーサ１６に対して平行となっている（すなわち、面内異方性を示す）。
【００３７】
第１のＦＧＬサブ層３３１は、例えば［Ｃｏ100-x Ｆｅx ／Ｎｉ］×ｎなる積層構造を有し、第２のＦＧＬサブ層３３２には、例えばＦｅＣｏ層が用いられる。また、ＳＩＬ１２は、例えば［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］×ｍなる積層構造を有する。ここで、繰り返し数ｎ，ｍは、５〜５０、より好ましくは１０〜３０である。ｘおよびｙは０〜９０％である。なお、Ｎｉは、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，ＣｏＰｔ，ＦｅＰｔ，ＣｏＰｄ，ＦｅＰｄ，ＴｂＦｅ，およびＴｂＣｏからなる群より選択される材料によって置換可能である．Ｃｏ100-x Ｆｅx 層の厚さｔ２およびＣｏ100-y Ｆｅy 層の厚さｔ４はいずれも、０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍが好ましく、０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍがより好ましい。Ｎｉの厚さｔ１およびｔ３は、０．２ｎｍ〜１ｎｍが好ましく、０．３５ｎｍ〜０．８ｎｍがより好ましい。
ＳＩＬ１２は、例えばＴａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層構造を有するシード層の上に形成される。ここで、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｃｕ層の厚さは０〜１０ｎｍが好ましい。
スペーサ１６は、例えばＣｕ層，ＭｇＯ層，ＡｌＯｘ層，ＴｉＯｘ層，ＺｎＯ層から選択される非磁性層である。ＣＣＰ‐ＣＰＰ（current-perpendicular-to-plane）型デバイスの場合、スペーサ１６は、狭窄電流路（ＣＣＰ：current confining paths ）構造を有する。この狭窄電流路構造は、Ｃｕ層／ＣＣＰ層／Ｃｕ層、またはＣｕ層／ＺｎＯ層／Ｃｕ層なる構造を含む。ＣＣＰは、例えば、ＡｌＣｕ層を形成した後、ＰＩＴ（プラズマイオン処理）とＩＡＯ（イオンアシスト酸化）とを順次行うことにより形成される。
なお、第２のＦＧＬサブ層３３２（例えばＦｅＣｏ層）の上には、例えばＲｕ／Ｔａ／Ｒｕなる積層構造を有するキャップ層が設けられる。
【００３８】
図３Ａに示したボトムスピン注入型のスピントルク発振器の例では、スペーサ１６の上に、第１のＦＧＬサブ層３３１と第２のＦＧＬサブ層３３２とがこの順に積層され、スペーサ１６の下面に接するようにＳＩＬ１２が設けられている。一方、図３Ｂに示したトップスピン注入型のスピントルク発振器の例では、第２のＦＧＬサブ層３３２と第１のＦＧＬサブ層３３１とがこの順に積層され、その上にスペーサ１６が設けられている。スペーサ１６の上にはＳＩＬ１２が設けられている。いずれの例においても、第１のＦＧＬサブ層３３１および第２のＦＧＬサブ層３３２は互いに強く交換結合しているので同時に励起され、その結果、複合層であるＦＧＬ３３は単層として発振する。
【００３９】
次に、ＦＧＬ３３が、高Ｂｓ材料（ＦｅＣｏまたはＦｅＣｏＡｌ等）からなる第２のＦＧＬ３３２と、この第２のＦＧＬ３３２に直接接触し高ＰＭＡを有する第１のＦＧＬサブ層３３１（［Ｃｏ（Ｆｅ）／Ｎｉ］×ｎ、または［Ｃｏ（Ｆｅ）／Ｐｔ］×ｎ等）とを備えることの利点を述べる。
【００４０】
例えば図３Ａを例に説明する。
このＳＴＯ構造が機能するためには、ＳＩＬ１２によって反射されたスピン偏極電子によってもたらされるスピントルクによりＦＧＬ３３が励起される必要がある。第１のＦＧＬサブ層３３１が高ＰＭＡを有する場合には、ＳＩＬ１２と第１のＦＧＬサブ層３３１とが同じ磁化方向を有し両者間のエネルギーバリアが大幅に減少していることから、ＳＩＬ１２によって反射された偏極電子は、容易に第１のＦＧＬサブ層３３１を励起することができる。
【００４１】
第１のＦＧＬサブ層３３１が励起されると、それに作用しているスピントルクは直ちに第２のＦＧＬサブ層３３２へと伝播し、この第２のＦＧＬサブ層３３２を発振させる。すなわち、第１のＦＧＬサブ層３３１は、スピントルク点火層（spin torque ignition layer）として機能すると考えられる。ＳＩＬ１２および第１のＦＧＬ３３１におけるスピントルクは同じ方向を向いていることから互いに足し合わされ、その結果、第２のＦＧＬサブ層３３２の発振が強められる。さらに、第２のＦＧＬサブ層３３２からの電子はまた、第１のＦＧＬサブ層３３１の面内発振を促し、それによって、第１のＦＧＬサブ層３３１の発振をより一層活発にする。
【００４２】
図３Ｂにおけるトップスピン注入型のスピントルク発振器のメカニズムも同様である。この例では、上記したように、ＳＩＬ１２がＦＧＬ３３よりも上方に位置し、スペーサ層１６の上面に接している。スペーサ層１６の下面には、高いＰＭＡを有する第１のＦＧＬサブ層３３１が接している。この第１のＦＧＬサブ層３３１は、面内磁気異方性を有する第２のＦＧＬサブ層３３２の上に配置されている。
【００４３】
注意する必要があるのは、ＦＧＬサブ層の積層順番が上記の逆になった場合（具体的には、図３Ａにおいて第１のＦＧＬサブ層３３１が第２のＦＧＬサブ層３３２の上側に挿入されたり、あるいは、図３Ｂにおいて第１のＦＧＬサブ層３３１が第２のＦＧＬサブ層３３２の下に挿入された場合）には、ＳＴＯは効果的に動作しないということである。なぜなら、この場合、ＳＩＬ１２によって反射された電子のスピントルクと第１のＦＧＬサブ層３３１内の電子のスピントルクとは互いに反対方向に作用し、結果として相殺されるからである。部分異方性ＦＧＬの誤った挿入例は、図１に示した従来技術においても見られる。
【００４４】
要するに、ボトムＳＩＬ型およびトップＳＩＬ型のいずれの場合においても、ＰＭＡ構造を有するＦＧＬサブ層がスペーサ層と直接接触している必要がある。その場合、５ｘ１０7 Ａ／ｃｍ2 〜５ｘ１０8 Ａ／ｃｍ2 、より具体的には、例えば１ｘ１０8 Ａ／ｃｍ2 という低電流密度下においてＳＴＯ発振を生じさせることができる。
【実験例】
【００４５】
好適な実施の形態を評価するために、以下の構成でボトムＳＩＬ構造を作製した。なお、個々の層名に隣接する値はそれぞれの膜厚（単位ナノメートル）を示す。以下の各実験例において同様である。
【００４６】
［実験例１］
この実験では、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｍなる積層体( 第１のＦＧＬサブ層) とＦｅＣｏ( 第２のＦＧＬサブ層) とが結合してなるＦＧＬを上側に配置すると共に、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｎなる積層体（ＳＩＬ）を下側に配置し、ボトムＳＩＬ型のスピントルク発振器を作製した。その具体的な積層構造は以下の通りである。
【００４７】
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．６］×ｎ／スペーサ／  ［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．６］×ｍ／ＦｅＣｏ１０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００４８】
上記の構造において、Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２は、複合シード層として用いた。［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｎなる多層構造は、リファレンス層として用いた。複合組成物ＣｏＦｅ（ｘ％）において、ｘ％はＦｅの含有率であり、０％（純Ｃｏ／Ｎｉの場合）〜９０％である。ｎは積層数であり、５〜５０、好ましくは１０〜３０である。スペーサの材料は、ＣＰＰ‐ＧＭＲの場合は例えばＣｕであり、ＴＭＲの場合は例えばＭｇＯ，ＡｌＯｘ，ＴｉＯｘ，ＺｎＯである。５ｎｍ〜３０ｎｍのＦｅＣｏ層はＦＧＬとして機能する。最後に、Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３なる積層体はキャップ層として用いた。
【００４９】
このようなデバイスにおいて、アニーリングの温度は１５０°Ｃ〜３００°Ｃ、より好ましくは１８０°Ｃ〜２５０°Ｃである。アニーリング時間は０．５時間〜５時間とした。［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｍなる積層体（ｍは５〜３０、より好ましくは５〜２０）をＦｅＣｏ１０層の下に挿入した。［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｍなる積層体はＦｅＣｏ層と強く磁気結合しているので、この［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｍなる積層体の強力なＰＭＡによってＦｅＣｏの異方性が垂直方向に向かって部分的に傾斜し、これにより、ＦＧＬ全体が１×１０8 Ａ／ｃｍ2 という低電流密度下において発振することが可能となる。
【００５０】
なお、Zhu 等による特許文献３において、ＰＭＡを有する層は反対方向のＰＭＡを有している。これは、本実施の形態との根本的な違いである。特許文献３におけるスピントルクの作用は本実施の形態とは完全に異なるものであり、本実施の形態における上記のメカニズムとの関係においては（たとえ作製可能であっても）意味をもたないからである。
【００５１】
図４Ａ〜図４Ｄは、下記の具体的な数値を持つように作製されたデバイスにおける実験結果を表すものである。
【００５２】
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１５／Ｃｕ２／［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１０／Ｆｅ（７０％）Ｃｏ１０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００５３】
図４Ａは、大きなｄＲ立ち上がり部分を含む、望ましい強い発振特性を表すものである。ここでは、３０ｍｖという低い電圧から始まる様々なバイアス電圧における発振特性を示している。図４Ｂおよび図４Ｃは、３５ＧＨｚという高い周波数において高いＱ値をもつ強磁性共鳴（ＦＭＲ）が達成されたことを裏付けるものである。図４Ｄは、さまざまなバイアス電圧における、ピークＦＭＲ周波数対印加磁界の特性を示す。［Ｆｅ（５０％）Ｃｏ０．２／Ｎｉ０．６］×ｎなる積層構造をもつＦＧＬ１からのＰＭＡ補助的作用により、ＦＧＬ全体として高品質な発振が得られたことがわかる。なお、この図および以下の図において、磁界の単位１［Ｏｅ］は１０6 ／４π［Ａ／ｍ］に等しい。
【００５４】
比較のために、ＦｅＣｏ１０なる構成のＦＧＬ２の上に［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．６］×１０なる積層構造をもつＦＧＬ１を配置して、従来構造を有するＳＴＯデバイスを作製した。その構造は下記の通りである。
【００５５】
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１５／Ｃｕ２／Ｆｅ（７０％）Ｃｏ１０／［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１０／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００５６】
この場合、上述のように、［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１５なる積層構造をもつＳＩＬからのスピントルクの大部分は、［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１０なる積層構造をもつＦＧＬ１によって相殺されることから、Ｆｅ（７０％）Ｃｏ１０／［Ｃｏ（５０％）Ｆｅ０．２／Ｎｉ０．５］×１０なる積層構造をもつＦＧＬに作用する総スピントルクは非常に小さくなる。その結果、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、発振特性は非常に劣ったものとなる。
【００５７】
［実験例２] 
この実験では、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｎなる積層体（ＳＩＬ）を上側に配置すると共に、［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｍなる積層体( 第１のＦＧＬサブ層) とＦｅＣｏ( 第２のＦＧＬサブ層) とが結合してなるＦＧＬを下側に配置し、トップＳＩＬ型のスピントルク発振器を作製した。その具体的な積層構造は以下の通りである。
【００５８】
Ｔａ１／Ｒｕ２／Ｃｕ２／ＦｅＣｏ１０／［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｍ／スペーサ／［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｎ／Ｒｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３
【００５９】
上記の構造では、［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｍなる積層構造（ｍは例えば５〜３０であり、より好ましくは５〜２０である）をＦｅＣｏ１０なる層の上側に挿入した。［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｍなる積層構造がＦｅＣｏ層と強く磁気結合しているので、［ＣｏＦｅ（ｘ％）０．２／Ｎｉ０．５］×ｍなる積層構造の強いＰＭＡによって、ＦｅＣｏ層の異方性は垂直方向に向かって部分的に傾斜する。その結果、ＦＧＬ全体が１×１０8 Ａ／ｃｍ2 という低電流密度下において発振することが可能となる。
【００６０】
このようなボトムＳＩＬ型スピントルク発振器の場合においても、トップＳＩＬ型スピントルク発振器の場合と同様のデータが得られた。つまり、スペーサに隣接するＦＧＬが高いＰＭＡを有する場合には、低電流密度下においてＦＧＬが発振しやすくなるため、デバイスの性能が向上するという結果が得られた。
［寸法および材料置換可能性等についての包括的コメント］
【００６１】
上記したように、シード層としては、例えばＴａ／Ｒｕ／Ｃｕなる３層構造が用いられるが、ここでＴａ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍ、Ｒｕ層の厚さは０．５ｎｍ〜１０ｎｍ、Ｃｕ層の厚さは０ｎｍ〜１０ｎｍとされる。但し、Ｃｕを省いてＴａ／Ｒｕなる２層構造にしてもよい。
【００６２】
また、上記したように、ＳＩＬとしては、例えば［ＣｏＦｅ（ｘ％）（ｔ２）／Ｎｉ（ｔ１）］×ｎなる多層構造が用いられるが、ここで、ＣｏＦｅ層の厚さｔ２は、０．０５ｎｍ〜０．５ｎｍ、より好ましくは０．１５ｎｍ〜０．３ｎｍとされ、Ｎｉ層の厚さｔ１は、０．２ｎｍ〜１ｎｍ、より好ましくは０．３５ｎｍ〜０．８ｎｍとされる。ＣｏＦｅ（ｘ％）におけるＦｅ含有率ｘは０（純Ｃｏの場合）〜９０である。［ＣｏＦｅ（ｘ）（ｔ２）／Ｎｉ（ｔ１）］×ｎにおけるｎは５〜５０、より好ましくは１０〜３０である。第１のＦＧＬサブ層（ＦＧＬ１）としての［ＣｏＦｅ／Ｎｉ］×ｍなる積層構造についても、上記のＳＩＬの例と同様である。
スペーサ材料は、ＣＰＰ‐ＧＭＲの場合はＣｕであり、ＴＭＲの場合はＭｇＯ、ＡｌＯｘ、ＴｉＯｘ、またはＺｎＯである。ＦＧＬ２としては、５ｎｍ〜３０ｎｍの厚さを有するＦｅＣｏ層が適当である。キャップ層としてはＲｕ１／Ｔａ４／Ｒｕ３を用いる。
このようなデバイスにおいて、アニーリングの温度は１５０°Ｃ〜３００°Ｃ、より好ましくは１８０°Ｃ〜２５０°Ｃである。アニーリングの時間は０．５時間〜５時間とするのが好ましい。  
【００６３】
複合シード層Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕにおいて、Ｃｕを厚さが０．１ｎｍ〜１０ｎｍのＴｉ，Ｐｄ，Ｗ，Ｒｈ，Ａｕ，Ａｇ等によって置き換えてもよい。Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる複合シード層はまた、Ｔａ／Ｒｕなる積層構造によって置き換えてもよく、この場合、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍとし、Ｒｕ層の厚さは２ｎｍ〜１０ｎｍとする。Ｔａ／Ｒｕ／Ｃｕなる積層構造は、Ｔａ／Ｃｕなる積層構造、またはＴａ／ＮｉＣｒなる積層構造によって置き換えてもよく、この場合、Ｔａ層の厚さは０．５ｎｍ〜５ｎｍであり、Ｃｕ層の厚さは２ｎｍ〜５ｎｍであり、ＮｉＣｒ層の厚さは４ｎｍ〜１０ｎｍである。
【００６４】
ＳＩＬとしての［ＣｏＦｅ（ｘ％）（ｔ２）／Ｎｉ（ｔ１）］×ｎなる積層構造はまた、［ＣｏＦｅ（ｘ％）（ｔ２）／Ｐｔ（ｔ１）］×ｎなる積層構造、［ＣｏＦｅ（ｘ％）（ｔ２）／Ｐｄ（ｔ１）］×ｎなる積層構造、［ＣｏＦｅ（ｘ％）（ｔ２）／Ｉｒ（ｔ１）］×ｎなる積層構造、またはＣｏＰｔ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｄ、ＦｅＰｄ、ＴｂＦｅ（Ｃｏ）等の他のＰＭＡシステムによって置き換えてもよい。第１のＦＧＬサブ層（ＦＧＬ１）としての［Ｃｏ100-y Ｆｅy ／Ｎｉ］×ｍなる積層構造についても同様である。
【図１】
0005719276.tif 000002
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
0005719276.tif 000008
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
0005719276.tif 000010
【図５Ａ】
0005719276.tif 000011
【図５Ｂ】
0005719276.tif 000012
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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