JP5534766B2 - スピントロニック素子のスピンバルブ構造およびその形成方法、ボトム型スピンバルブ構造、ならびにマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子 - Google Patents
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Description
MTJ素子は、例えば、シード層と、反強磁性(AFM:Anti-Ferromagnetic)ピンニング層と、強磁性ピンド層と、薄いトンネルバリア層と、強磁性フリー層と、キャップ層とを下部電極の上に順次形成してなるボトム型のスピンバルブ構造を有する。AFMピンニング層は、ピンド層の磁気モーメントを一定方向に保持している。ピンド層としてのリファレンス層は、例えば、y方向に磁化された隣りのAFMピンニング層との交換結合によってy方向に固定された磁気モーメントを有し、フリー層は、ピンド層の磁気モーメントに対して平行または反平行な磁気モーメントを有している。トンネルバリア層は、導電電子の量子力学的トンネル効果による電流通過が起こるほど薄く形成されている。フリー層の磁気モーメントは外部磁場に応じて変化するようになっており、このフリー層とピンド層との磁気モーメントの相対角度によって、トンネル電流すなわちトンネル接合抵抗が決まる。センス電流が、上部電極から下部電極へとMTJ素子の積層面に対して垂直な方向に流れると、フリー層およびピンド層の磁化方向が互いに平行な状態(「1」記憶状態)の場合には低い抵抗値が検出され、それらの磁化方向が互いに反平行状態(「0」記憶状態)にある場合には高い抵抗値が検出される。
また、他の特徴は、[Co/Ni]x積層リファレンス層における各Co層および各Ni層を、非常に低いRFパワーと高圧の不活性ガスとを用いて成膜することにより、衝突イオンエネルギーを最小限に抑え、あるひとつの層を成膜する際に既存のCo層またはNi層に与える損傷を極力少なくした点にある。したがって、Co層とNi層との間の界面が保たれ、垂直磁気異方性特性が最大限に確保される。さらに、この方法によれば、極めて薄いシード層を用いた場合であっても、[Co/Ni]x積層リファレンス層の垂直磁気異方性を十分確保することが可能となる。
本発明の実施の形態に係るCPPスピンバルブ構造は、垂直磁気異方性を有する[Co/Ni]x積層リファレンス層を備える。この積層リファレンス層の垂直磁気異方性は、下部Ta層と、fcc[111]結晶構造([111]配向面心立方格子結晶構造)またはhcp[001]結晶構造([001]配向六方最密構造)を有する上部金属層とを含む、薄い複合シード層によって十分なものとなっている。この構造によれば、MAMR素子およびSTT−MRAM素子等のスピントランスファー発振器をもつ素子や、他のスピントロニック素子の性能が向上する。また、本発明は、[Co/Ni]x積層リファレンス層を成膜する方法を含んでいる。この方法によれば、CoとNiとの界面が十分に保たれ、薄いシード層を用いた場合であっても、所望のfcc[111]方向の配向性を形成することができる。なお、図面は一例であり、本発明の範囲を限定するためのものではない。
このように、本実施の形態のボトム型スピンバルブ構造40は、Cuスペーサ層(金属スペーサ層24)が、ナノオキサイド層27によって下部Cu層24aと上部Cu層24bの2つの部分に分離されていること以外は、第1の実施の形態のボトム型スピンバルブ構造20と同様である。ナノオキサイド層27は、例えば、下部Cu層24aの上にAlCu層を成膜したのち、プレ・イオン処理(PIT:Pre-Ion Treatment)およびイオンアシスト酸化(IAO:Ion-Assisted Oxidation)処理を行うことにより、AlCu層を、内部に分離Cu導電路(電流制限パス)を有するAlOxマトリクスへと変化させることにより形成可能である。その後、このナノオキサイド(CCP)層27の上に、上部Cu層24bを成膜する。ボトム型スピンバルブ構造40の他の層22,23,25および26は、上記第1の実施の形態(図2)のボトム型スピンバルブ構造20における各相当部分と同様である。
再生ヘッド75は、上部シールド74aおよび下部シールド74bと、これらのシールド74a,74b間に設けられたセンサ73とを有している。
トップ型STO記録ヘッド80は、再生ヘッド75と対向する側に位置する主磁極77と、再生ヘッド75とは反対側に位置するトレーリングシールド76と、主磁極77内に磁束を発生させるためのコイル78と、トップ型STO構造70と、このトップ型STO構造70に電流を注入するための配線(図示せず)とを備えている。トップ型STO構造70は、図12bに示したものと同様の構造を有し、第1電極61と第2電極65との間に、複合シード層22と、垂直磁気異方性層64と、磁界生成層63と、金属スペーサ層62と、積層リファレンス層23とを順に備えている。なお、第1電極61として主磁極77を利用し、第2電極62としてトレーリングシールド76を利用してもよい。この場合には、上記した、トップ型STO構造70へ電流を注入するための配線もまた、主磁極77およびトレーリングシールド76が兼ねることとなる。
トップ型STO構造70は、主磁極77とトレーリングシールド76との間に、積層リファレンス層23の磁化方向が媒体基板71の移動方向Mと同じ方向となるように配置されている。オシレータ層としての磁界生成層63は、積層リファレンス層23よりも第1電極側(主磁極77に近い側)に形成され、回転自在な磁化方向を有している。図13では、磁界生成層63を、2つの矢印および円状の点線を有する層として表している。この一体型記録再生ヘッドは、媒体トラックに沿って記録ビット72が形成された媒体基板71の上方に、エアベアリング面を媒体基板71に向けて支持され、矢印Mの方向に移動する媒体基板71に対して相対移動するようになっている。
このような構成のトップ型STO記録ヘッド80では、以下のようにして書き込み動作が行われる。ここでは、トレーリングシールド76および主磁極77が、トップ型STO構造70に紙面向かって右から左に電流を印加するための上下電極(第1電極および第2電極)を兼ねているものとして説明する。媒体基板71に対して記録ビット72を書き込む際には、コイル78に流れる電流によって主磁極77の先端部(エアベアリング面)から書き込み磁界が発せられると同時に、トレーリングシールド76と主磁極77の間に磁界が発生する。このため、上記の印加電流によるスピントルク作用とあいまって、磁界生成層63の磁化の方向が才差運動を起こし、それにより高周波磁界を発生する。この高周波磁界が主磁極77からの書き込み磁界と重畳する。これにより、実効的な書き込み磁界を大きくするアシスト効果を得ることができる。
ボトム型STO記録ヘッド90は、図13におけるトップ型STO構造70の代わりにボトム型STO構造60を備えている。ボトム型STO構造60は、図12aに示したものと同様の構造を有し、複合シード層22と、積層リファレンス層23と、金属スペーサ層62と、磁界生成層63と、垂直磁気異方性層64とを備えている。ボトム型STO構造60は、主磁極77とトレーリングシールド76との間に、積層リファレンス層23の磁化方向が媒体基板71の移動方向Mと同じ方向となるように配置されている。オシレータ層としての磁界生成層63は、積層リファレンス層23よりも第2電極(トレーリングシールド76)に近い側に形成され、回転自在な磁化方向を有している。図14では、磁界生成層63を、2つの矢印および円状の点線を有する層として表している。ボトム型STO構造60の上面は、再生ヘッド75とは反対側のトレーリングシールド76の側面と隣接し、ボトム型STO構造60の底面は、再生ヘッド75に対向する主磁極77の側面と隣接している。なお、主磁極77を、図12aに示した第1電極61として利用し、トレーリングシールド76を第2電極62として利用してもよい。
なお、図14に示したボトム型STO記録ヘッド90の書き込み動作は、紙面に向かって左から右に電流を流すことを除き、図13に示したトップ型STO記録ヘッド80の動作と同じである。
CPPスピンバルブ積層構造の各層は、例えばスパッタ成膜装置を用いて成膜する。スパッタ装置としては、各々が5つのターゲットを有する3つの物理蒸着(PVD:Physical Vapor Deposition)チャンバと、酸素チャンバと、スパッタエッチングチャンバとを有する装置が好ましく、例えばアネルバ社製のC−7100等が利用可能である。複数のPVDチャンバのうちの少なくとも一つは同時スパッタリングが可能であることが好ましい。スパッタ成膜は、例えば、アルゴンスパッタガスを用いて金属または合金からなるターゲットをスパッタして、超真空下で基板上に成膜することにより行う。スパッタ装置を一度にポンプダウンした後に、上述したCPPスピンバルブ積層構造の各層を形成することにより、スループットを向上させるようにしてもよい。
スピンバルブ積層構造のシード層の所要厚さを最小限に抑える場合において、[Co/Ni]x積層リファレンス層を形成することによる効果を示すために、以下のような比較実験を行った。
Ta3/Ru5/Cu5/[(Co2/Ni4)20]/Cu3/FeCoAl20/Ru1/Ta4/Ru3
なお、各層の後ろの数字は、膜厚(nm)を表している。この構造において、Ta3/Ru5/Cu5は複合シード層を示し、[(Co2/Ni4)20]は積層リファレンス層を示し、Cu3は金属スペーサ層を示す。FeCoAl20はフリー層を示し、その詳細な組成は[Fe50Co50]80Al20である。Ru1/Ta4/Ru3は複合キャップ層を表している。図10は、積層面と平行な方向の磁気異方性成分の磁化曲線(上側プロット)と、垂直磁気異方性成分の磁化曲線(下側プロット)とを示している。図10に示すように、[Co/Ni]20積層リファレンス層の垂直磁気異方性が十分に保たれていることが分かる。また、高MR比等の、良好なGMR特性が得られているものと考えられる。なお、垂直磁気異方性を示す磁化曲線(下側プロット)のなだらかな曲線部分(傾斜部分)は、FeCoAl層の磁化に付随したものである。
Ta3/Ru5/Cu5/FeCoAl20/Cu5/[(Co2/Ni4)20]/Ru1/Ta4/Ru3
なお、各層の後ろの数字は、膜厚(nm)を表している。この構造においては、磁気特性を測定するために、アルミナからなる基板上に、複合シード層と、FeCoAlフリー層と、Cuスペーサ層と、積層リファレンス層と、キャップ層とを順次形成した。図11(a)は、このトップ型スピンバルブ積層構造における積層面平行成分の磁化曲線(上側プロット)と、垂直磁気異方性成分の磁化曲線(下側プロット)とを示している。また、比較目的から、FeCoAl20という非磁性層を有する同様の積層構造を作製した。図11(b)は、このFeCoAl20非磁性層を有する積層構造における積層面平行成分の磁化曲線(上側プロット)と、垂直磁気異方性成分の磁化曲線(下側プロット)とを示している。図11(a)に示すように、トップ型のスピンバルブ積層構造を用いた場合であっても、Co/Ni積層リファレンス層の垂直磁気異方性が確保されている。これは、CoPt等の他の垂直磁気異方性材料を用いた場合には一般的に非常に困難なことである。また、優れたGMR特性も得られている。
Ta3/Ru5/Cu5/[(Co2/Ni4)20]/Cu0.52/AlCu1/PIT/IAO/Cu0.4/FeCoAl20/Ru1/Ta4/Ru3
なお、上述したPIT処理およびIAO処理を行うことにより、AlCu層は、内部に電流制限Cuパスを有するAlOxマトリクスへと変化する。この電流制限パス層は、MR比を増加させるとともに、フリー層のSTO磁化反転を利用したスピントロニック素子において望まれている、臨界電流密度の低下を達成するものと予想される。
Ta3/Ru5/Cu5/[(Co2/Ni4)20]/AlOxまたはMgO/FeCoAl20/Ru1/Ta4/Ru3
本実施例では、AlOxまたはMgOを有するトンネルバリア層により、上記実施例5および実施例6で得られる値よりも高いMR比が得られるものと予想される。
Claims (34)
- 基板上に形成された下部Ta層と、前記下部Ta層の上に形成されRuからなる金属層M1とを少なくとも含む複合シード層と、
各Co層の厚さt1よりも各Ni層の厚さt2が大きくなるように形成された[Co(コバルト)/Ni(ニッケル)]X 積層リファレンス層(X=5ないし70)と、
磁性層と、
前記[Co/Ni]X 積層リファレンス層と前記磁性層との間に形成された金属スペーサ層と
を備えたスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記金属スペーサ層は、前記[Co/Ni]X 積層リファレンス層および前記磁性層の各々と接している
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、Au(金)またはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含む
請求項2に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - キャップ層をさらに備え、
前記複合シード層、前記[Co/Ni]X 積層リファレンス層、銅からなる前記金属スペーサ層、前記磁性層および前記キャップ層を前記基板上に順次形成してなるボトム型スピンバルブ構造を有する
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - キャップ層をさらに備え、
前記複合シード層、前記磁性層、銅からなる前記金属スペーサ層、[Co/Ni]X積層リファレンス層および前記キャップ層を前記基板上に順次形成してなるトップ型スピンバルブ構造を有する
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記複合シード層において、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmである
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、AuまたはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含み、
前記複合シード層が、[Ta/M1/M2]なる構造を有し、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmであり、
前記金属層M2の厚さが0.1nmないし10nmであり、
前記金属層M1と前記金属層M2とは材料が異なる
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記[Co/Ni]X積層リファレンス層において、
各Co層の厚さt1が0.05nmないし0.5nmであり、
各Ni層の厚さt2が0.2nmないし1.0nmである
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記磁性層が、
Al(アルミニウム)、Ge(ゲルマニウム)、Si(シリコン)、Ga(ガリウム)、B(ボロン)、C(炭素)、Se(セレン)およびSn(錫)のうちの少なくとも1つを含むFeCo(鉄コバルト)合金、
Co2MnSi、Co2FeSi、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2MnGeもしくはCo2FeGeを含むホイスラー(Heusler)合金、または
CoMnSi、CoFeSi、CoMnAlもしくはCoFeGeを含む半ホイスラー合金により構成されている
請求項1に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記金属スペーサ層は、1.5nmないし15nmの厚さの銅層からなり、
前記キャップ層は、[Ru/Ta/Ru]なる積層構造を有する
請求項4に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 前記金属スペーサ層は、
下側Cuスペーサ部分層と、
上側Cuスペーサ部分層と、
前記下側Cuスペーサ部分層と前記上側Cuスペーサ部分層との間に形成され、電流制限パス(current confining paths)を有するNOL(nano-oxide layer)層と
を含む請求項4に記載のスピントロニック素子のスピンバルブ構造。 - 基板上に形成された下部Ta層と、前記下部Ta層の上に形成されRuからなる金属層M1とを少なくとも含む複合シード層と、
各Co層の厚さt1よりも各Ni層の厚さt2が大きくなるように前記複合シード層上に形成された[Co/Ni]X 積層リファレンス層(X=5ないし70)と、
前記[Co/Ni]X 積層リファレンス層の上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層上に形成された磁性層と、
前記磁性層の上に形成されたキャップ層と
を備えたスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記トンネルバリア層は、前記[Co/Ni]X積層リファレンス層および前記磁性層の各々と接し、
前記キャップ層は前記磁性層と接している
請求項12に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、Au(金)またはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含む
請求項13に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記複合シード層において、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmである
請求項12に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、AuまたはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含み、
前記複合シード層が、[Ta/M1/M2]なる構造を有し、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmであり、
前記金属層M2の厚さが0.1nmないし10nmであり、
前記金属層M1と前記金属層M2とは材料が異なる
請求項12に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記[Co/Ni]X積層リファレンス層において、
各Co層の厚さt1が0.05nmないし0.5nmであり、
各Ni層の厚さt2が0.2nmないし1.0nmである
請求項12に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記磁性層が、
Al(アルミニウム)、Ge(ゲルマニウム)、Si(シリコン)、Ga(ガリウム)、B(ボロン)、C(炭素)、Se(セレン)およびSn(錫)のうちの少なくとも1つを含むFeCo(鉄コバルト)合金、
Co2MnSi、Co2FeSi、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2MnGeもしくはCo2FeGeを含むホイスラー(Heusler)合金、または
CoMnSi、CoFeSi、CoMnAlもしくはCoFeGeを含む半ホイスラー合金
により構成されている
請求項12に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 前記キャップ層は、[Ru/Ta/Ru]なる積層構造を有し、
前記トンネルバリア層は、絶縁層として用いられる、AlOx、MgO、TiOx、TiAlOx、MgZnOx、ZnOxもしくはその他の金属酸化物、または金属窒化物からなる
請求項12に記載のスピントロニック素子のボトム型スピンバルブ構造。 - 第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極と前記第2の電極との間に形成された積層構造と
を備え、
前記積層構造が、
前記第1の電極に接する下部Ta層と、前記下部Ta層上の前記第1の電極とは反対側に形成されRuからなる金属層M1とを少なくとも含む複合シード層と、
各Co層の厚さt1よりも各Ni層の厚さt2が大きくなるように形成され、スピントランスファー層として機能する[Co(コバルト)/Ni(ニッケル)]X積層リファレンス層(X=5ないし70)と、
磁界生成層(オシレータ層)と前記[Co/Ni]X積層リファレンス層との間に形成された金属スペーサ層と、
前記金属スペーサ層上に形成されて前記磁界生成層(オシレータ層)として機能する磁性層と
を備えたマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 前記金属スペーサ層は、前記[Co/Ni]X積層リファレンス層および前記磁性層の各々と接している
請求項20に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、Au(金)またはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含む
請求項21に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 前記複合シード層において、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmである
請求項20に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 前記第1の電極が、記録ヘッドにおける主磁極であり、
前記第2の電極が、前記記録ヘッドにおけるトレーリングシールドである
請求項20に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、AuまたはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含み、
前記複合シード層が、[Ta/M1/M2]なる構造を有し、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmであり、
前記金属層M2の厚さが0.1nmないし10nmであり、
前記金属層M1と前記金属層M2とは材料が異なる
請求項20に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 前記[Co/Ni]X積層リファレンス層において、
各Co層の厚さt1が0.05nmないし0.5nmであり、
各Ni層の厚さt2が0.2nmないし1.0nmである
請求項20に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - さらに、
前記磁界生成層の上の、前記金属スペーサ層とは反対側の面に形成され、前記第2の電極に接する垂直磁気異方性(PMA)層を備えた
請求項20に記載のマイクロ波アシスト磁気記録用スピントロニック素子。 - 基板上に、下部Ta層と、前記下部Ta層の上に配置されるRuからなる金属層M1とを少なくとも含むfcc[111]結晶構造の複合シード層を形成するステップと、
前記複合シード層の上に積層構造を形成するステップと
を含み、
前記積層構造が、
各Co層の厚さt1よりも各Ni層の厚さt2が大きくなるように形成された[Co(コバルト)/Ni(ニッケル)]X積層リファレンス層(X=5ないし70)と、
所定の大きさのスピントルクが印加されたときに、磁化容易軸に沿った磁気モーメントが反対方向に変化するように構成された磁性層と、
前記[Co/Ni]X積層リファレンス層と前記磁性層との間に形成された、金属スペーサ層またはトンネルバリア層と
を含むようにしたスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。 - さらに、
200°Cないし280°Cの温度で0.5時間ないし10時間にわたってスピンバルブ構造の熱処理を行うステップを含む
請求項28に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。 - 前記[Co/Ni]X積層リファレンス層を、15sccmを上回るレートのAr(アルゴン)フローの下で、200ワット未満の高周波(RF)パワーのマグネトロンスパッタリングプロセスにより形成する
請求項28に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。 - 前記複合シード層において、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmである
請求項28に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。 - 前記複合シード層が、Cu、Ti(チタン)、Pd(パラジウム)、Rh(ロジウム)、AuまたはAg(銀)からなり前記金属層M1上に形成された金属層M2をさらに含み、
前記複合シード層が、[Ta/M1/M2]なる構造を有し、
前記下部Ta層の厚さが0.5nmないし10nmであり、
前記金属層M1の厚さが1.0nmないし10nmであり、
前記金属層M2の厚さが0.1nmないし10nmであり、
前記金属層M1と前記金属層M2とは材料が異なる
請求項28に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。 - 前記[Co/Ni]X積層リファレンス層において、
各Co層の厚さt1が0.05nmないし0.5nmであり、
各Ni層の厚さt2が0.2nmないし1.0nmである
請求項28に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。 - 前記磁性層を、
Al(アルミニウム)、Ge(ゲルマニウム)、Si(シリコン)、Ga(ガリウム)、B(ボロン)、C(炭素)、Se(セレン)およびSn(錫)のうちの少なくとも1つを含むFeCo(鉄コバルト)合金、
Co2MnSi、Co2FeSi、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2MnGeもしくはCo2FeGeを含むホイスラー(Heusler)合金、または
CoMnSi、CoFeSi、CoMnAlもしくはCoFeGeを含む半ホイスラー合金
により構成する
請求項28に記載のスピントロニック素子におけるスピンバルブ構造の形成方法。
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