磁気減衰自由層を備えたスピントルク発振器（ＳＴＯ）
【課題】本発明は、磁気減衰自由層を備えたスピントルク発振器（ＳＴＯ）を提供する。
【解決手段】スピントルク発振器（ＳＴＯ）は、発振自由強磁性層の磁気減衰を増加させる。ギルバート磁気減衰パラメータ（α）は、少なくとも０．０５、好ましくは０．０５より大きい。自由層は、任意のタイプの従来の強磁性材料であってもよいが、ドーパントとして１つまたは複数の減衰元素を含む。減衰元素は、Ｐｔ、Ｐｄおよび１５のランタニド元素からなる群から選択される。自由層減衰は、自由層に隣接する減衰層によって増加させてもよい。減衰層の一タイプは、Ｍｎ合金のような反強磁性材料であってもよい。反強磁性減衰層に対する変更例として、二重層減衰層を、反強磁性減衰層と、自由層および反強磁性層間の非磁性金属導電分離層とで形成してもよい。別のタイプの減衰層は、Ｐｔ、Ｐｄおよびランタニドから選択された元素の１つまたは複数で形成された層であってもよい。
【解決手段】スピントルク発振器（ＳＴＯ）は、発振自由強磁性層の磁気減衰を増加させる。ギルバート磁気減衰パラメータ（α）は、少なくとも０．０５、好ましくは０．０５より大きい。自由層は、任意のタイプの従来の強磁性材料であってもよいが、ドーパントとして１つまたは複数の減衰元素を含む。減衰元素は、Ｐｔ、Ｐｄおよび１５のランタニド元素からなる群から選択される。自由層減衰は、自由層に隣接する減衰層によって増加させてもよい。減衰層の一タイプは、Ｍｎ合金のような反強磁性材料であってもよい。反強磁性減衰層に対する変更例として、二重層減衰層を、反強磁性減衰層と、自由層および反強磁性層間の非磁性金属導電分離層とで形成してもよい。別のタイプの減衰層は、Ｐｔ、Ｐｄおよびランタニドから選択された元素の１つまたは複数で形成された層であってもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスピントルク発振器（ＳＴＯ）に関し、特に磁界センサ、およびＳＴＯセンサを用いる検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして用いられる従来の磁気抵抗（ＭＲ）センサの一タイプが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果に基づいた「スピンバルブ」センサである。ＧＭＲスピンバルブセンサは、典型的には銅（Ｃｕ）である非磁性導電スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む層スタックを有する。スペーサ層に隣接する１つの強磁性層は、隣接する反強磁性層との交換結合によってピン止めされることなどによって、自身の磁化方向を固定させるものであり、基準層と呼ばれている。スペーサ層に隣接するもう一方の強磁性層は、外部磁界が存在する状態で、自身の磁化方向を自由に回転できるものであり、自由層と呼ばれている。センス電流がセンサに印加されると、ディスク上の記録された磁気ビットなどからの外部磁界の存在ゆえに、基準層磁化に対する自由層磁化の回転は、電気抵抗における変化として検出可能である。センス電流が、センサスタックにおける層の平面を垂直に通って導かれた場合、センサは、面直電流（ＣＰＰ）センサと呼ばれる。
【０００３】
ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドに加えて、別のタイプのＣＰＰセンサは、トンネルＭＲまたはＴＭＲセンサとも呼ばれる磁気トンネル接合センサであり、このセンサにおいて、非磁性スペーサ層は、非常に薄い非磁性トンネル障壁層である。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサにおいて、層を垂直に通るトンネル電流は、２つの強磁性層における磁化の相対配向に依存する。ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドにおいて、非磁性スペーサ層は、導電材料、典型的にはＣｕまたはＡｇなどの金属で形成される。ＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドにおいて、非磁性スペーサ層は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３などの電気絶縁材料で形成される。
【０００４】
ＣＰＰ ＭＲセンサにおいて、信号および信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を最大限にするために、高バイアスまたはセンス電流密度でセンサを動作させることが望ましい。しかしながら、ＣＰＰ ＭＲセンサが、電流によって誘起されたノイズおよび不安定性に弱いことが周知である。スピン偏極バイアス電流は、強磁性層を垂直に通って流れ、局所磁化に対してスピントルク（ＳＴ）効果を生じさせる。これは、磁化の変動が生じて、センス電流が大きい場合にはかなりの低周波磁気ノイズに帰着する可能性がある。
【０００５】
スピントルク発振器（ＳＴＯ）センサと呼ばれる、ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサ構造のいずれかに基づいた代替センサは、ＳＴ効果が磁化の永続的な歳差運動を生成するように設計される。臨界電流（ＩＣ）より高い固定直流電流がＳＴＯセンサを通して導かれる場合、自由層の磁化は、ＳＴ効果によって歳差運動または発振する。適切に設計された構造において、この歳差運動の周波数（発振周波数）は、外部磁界の印加と共にシフトし、これらの周波数シフトは、外部磁界における変化を検出するために用いることができる。したがって、ＳＴＯセンサは、例えば、本出願と同一の譲受人に譲渡された特許文献１および特許文献２に説明されているように、従来のＣＰＰ−ＧＭＲおよびＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドに取って代わるために、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するように提案されている。ＣＰＰ−ＧＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、基準層と自由層との間の、その非磁性導電スペーサ層ゆえに、ＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサより高い電流密度で動作することができる。しかしながら、ＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサより著しく高い磁気抵抗（ΔＲ／Ｒ）を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１００３２８７９９ Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９０２０１６１４ Ａ１号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１２／６３６，１０８号明細書
【特許文献４】米国特許第７，６３３，６９９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００８０２４１５９７ Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｏｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｐｕｌｌｉｎｇ ｉｎ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ”， Ｂ Ｒａｚａｖｉ， ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ３９， １４１５ （２００４）
【非特許文献２】Ｔｓｅｒｋｏｖｎｙａｋ ｅｔ ａｌ．， “Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｄａｍｐｉｎｇ ｉｎ Ｔｈｉｎ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｌｍｓ”， Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ， Ｖｏｌ． ８８， Ｎｏ． １１， １８ Ｍａｒｃｈ ２００２， １１７６０１
【非特許文献３】Ｎ． Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ８１， １８４４３１ （２０１０）
【非特許文献４】Ｓ． Ｍａａｔ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ ９３ （２００８） １０３５０６
【非特許文献５】“ＳＴＯ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｓ． ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｇｌｅ： Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂｅｙｏｎｄ ６５ ＧＨｚ”， ｂｙ Ｂｏｎｅｔｔｉ ｅｔ ａｌ， ＡＰＬ ９４ １０２５０７ （２００９）
【非特許文献６】“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ”， ｂｙ Ｊ． Ｇ． Ｚｈｕ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． １， Ｊａｎｕａｒｙ ２００８， ｐｐ． １２５−１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を備えたＳＴＯセンサが望ましい。したがって、ＳＴＯセンサは、バックグラウンドを超える高いＳＴＯ出力電力、および低い発振器位相ノイズの両方を有するべきであり、この低い発振器位相ノイズは、発振器の周波数応答における狭いスペクトル線幅によって特徴付けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発振自由層の磁気減衰の増加を伴い、それによって臨界電流を増加させる、ＳＴＯ磁界センサなどのスピントルク発振器（ＳＴＯ）に関する。ランダウ−リフシッツ−ギルバート−スロンチェスキー方程式（Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation）からのギルバート磁気減衰パラメータ（α）は、少なくとも０．０５、好ましくは０．０５を超えるべきである。一実施形態において、自由層は、従来のＣＰＰセンサ用に用いられる材料のような任意のタイプの強磁性材料であるが、その磁気減衰を増加させるためのドーパントまたは不純物として１つまたは複数の減衰元素を含む。減衰元素は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）および１５のランタニド元素からなる群から選択される。別の実施形態において、自由層減衰は、非磁性スペーサ層に隣接する自由層側と反対の自由層側に隣接する減衰層によって増加される。減衰層の一タイプは、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎおよびＲｈＭｎから選択されたＭｎ合金のような反強磁性材料で形成してもよい。反強磁性減衰層に対する変更点として、二重層減衰層を、反強磁性層と、自由層および反強磁性層間の、ＣｕまたはＡｇなどの非磁性金属導電分離層とで形成してもよい。別のタイプの減衰層は、Ｐｔ、Ｐｄおよびランタニドから選択された元素の１つまたは複数で形成した層であってもよい。
【００１０】
自由層減衰が増加したＳＴＯは、自由強磁性層と基準強磁性層との間に非磁性スペーサ層を備えたＧＭＲまたはＴＭＲに基づいた前述のタイプであってもよい。ＳＴＯはまた、２００９年１２月１１日に出願され本出願と同一の譲受人に譲渡された係属中の出願（特許文献３）で説明されているＳＴＯのように、基準層を用いないが、しかし非磁性導電逆平行結合層（nonmagnetic electrically conductive antiparallel coupling layer）によって分離された２つの逆平行結合自由強磁性層（antiparallel-coupled free ferromagnetic layer）を有するＳＴＯであってもよい。このタイプのＳＴＯにおいて、自由層の一方または両方は、上記の技術のいずれかによって磁気的に減衰してもよい。
【００１１】
本発明の性質および利点のより完全な理解のために、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】カバーを除去された従来の磁気記録ハードディスクドライブの上面概略図である。
【図２】図１の方向２−２に沿ったスライダの拡大端面図およびディスクの断面図である。
【図３】図２の方向３−３における図であり、かつ読み取り／書き込みへッドの端部を備えたスライダの空気ベアリング面（ＡＢＳ）を示す。
【図４】先行技術による磁気シールド層間に位置する層スタックを示す、面直電流磁気抵抗（ＣＰＰ ＭＲ）読み取りヘッドにおけるＡＢＳの断面概略図である。
【図５】ドープされた自由強磁性層を備えた、本発明の第１の実施形態による磁界スピントルク発振器（ＳＴＯ）検出システムの概略図である。
【図６】自由強磁性層に隣接する減衰層を備えた、本発明の第２の実施形態による磁界ＳＴＯ検出システムの概略図である。
【図７】基準層がなく２つの逆平行結合された自由強磁性層を備えたＳＴＯセンサを用いる磁界ＳＴＯ検出システムの概略図である。
【図８】マクロスピンシミュレーションを用いて計算された２つのギルバート減衰パラメータ値用の温度の関数としての、自由層歳差運動角度のモデル化された半値全幅（ＦＷＨＭ）分布のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明による３端子ＳＴＯは、磁界センサとして以外の用途を有するが、しかし磁気記録ディスクドライブ読み取りヘッドとして以下で詳細に説明する。
【００１４】
図１〜４は、従来のＣＰＰ磁気抵抗（ＭＲ）磁界検出センサおよびシステムを示す。図１は、従来の磁気記録ハードディスクドライブのブロック図である。ディスクドライブは、ディスクドライブハウジングまたはベース１６上に支持された磁気記録ディスク１２および回転ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）アクチュエータ１４を含む。ディスク１２は、回転中心１３を有し、かつベース１６に取り付けられたスピンドルモータ（図示せず）によって、方向１５に回転される。アクチュエータ１４は、軸１７を中心に旋回し、剛性アクチュエータアーム１８を含む。略可撓性サスペンション２０は、曲げ要素２３を含み、アーム１８の端部に装着される。ヘッドキャリアまたは空気ベアリングスライダ２２が、曲げ部２３に装着される。磁気記録読み取り／書き込みへッド２４が、スライダ２２の後面（trailing surface）２５上に形成される。曲げ部２３およびサスペンション２０によって、スライダは、回転するディスク１２によって生成される空気ベアリング上で「ピッチ（前後方向での傾斜）」および「ロール（左右方向での傾斜）」することが可能になる。典型的には、スピンドルモータによって回転されるハブ上には複数のディスクが積み重ねられ、別個のスライダおよび読み取り／書き込みへッドが、各ディスク表面に関連付けられる。
【００１５】
図２は、図１の方向２−２に沿ったスライダ２２の拡大端面図およびディスク１２の断面図である。スライダ２２は、曲げ部２３に装着され、かつディスク１２に面する空気ベアリング面（ＡＢＳ）２７、およびＡＢＳに略垂直な後面２５を有する。ＡＢＳ２７は、回転するディスク１２からの空気流を、ディスク１２の表面に非常に接近しているかまたはほぼ接触しているスライダ２２を支持する空気ベアリングにする。読み取り／書き込みへッド２４は、後面２５上に形成される。また、読み取り／書き込みへッド２４は、後面２５上の端子パッド２９との電気的接続によって、ディスクドライブ読み取り／書き込み電子機器に接続される。図２の断面図に示すように、ディスク１２は、離散データトラック５０がクロストラック方向において間隔をおいて配置されたパターンを有するパターン化媒体ディスクであり、トラック５０の１つが、読み取り／書き込みへッド２４と位置合わせされて示されている。離散データトラック５０は、クロストラック方向にトラック幅ＴＷを有し、かつ円周方向において連続的な磁化可能材料で形成してもよく、この場合に、パターン化媒体ディスク１２は、離散トラック媒体（ＤＴＭ）ディスクと呼ばれる。代替として、データトラック５０には、トラックに沿って間隔をおいて配置された離散データアイランドを含んでもよく、この場合に、パターン化媒体ディスク１２は、ビットパターン化媒体（ＢＰＭ）ディスクと呼ばれる。また、ディスク１２は、記録層がパターン化されていないが、記録材料の連続した層からなる従来の連続媒体（ＣＭ）ディスクであってもよい。ＣＭディスクにおいて、トラック幅ＴＷを備えた同心データトラックは、書き込みヘッドが連続記録層に書き込む場合に作成される。
【００１６】
図３は、図２における方向３−３の図であり、ディスク１２から見たような読み取り／書き込みヘッド２４の端部を示す。読み取り／書き込みへッド２４は、スライダ２２の後面２５に堆積され、リソグラフでパターン化された一連の薄膜である。書き込みヘッドは、垂直書き込み磁極（ＷＰ）を含んでもよい。また、書き込みヘッドは、後部シールドおよび側部シールド（図示せず）の両方またはいずれか一方を含んでもよい。ＣＰＰ ＭＲセンサまたは読み取りヘッド１００は、２つの磁気シールドＳ１およびＳ２間に位置する。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、透磁性材料、典型的にはＮｉＦｅ合金で形成され、また導電性であってもよく、その結果、それらは、読み取りヘッド１００への導線として機能することができる。磁気シールドは、読み取られているデータビットに隣接する記録されたデータビットから読み取りヘッド１００をシールドするように機能する。また、別個の導線を用いてもよく、その場合には、読み取りヘッド１００は、磁気シールドＳ１、Ｓ２と接触している、タンタル、金、ルテニウム、ロジウムまたは銅などの導電性リード材料の層に接触して形成される。図３は、非常に小さな寸法を示のが難しいため、正確な縮尺で示されていない。典型的には、各磁気シールドＳ１、Ｓ２は、トラックに沿った方向における読み取りヘッド１００の全体的厚さ（約１５〜４０ｎｍの範囲になり得る）と比較して、トラックに沿った方向に数マイクロメートルの厚さである。
【００１７】
図４は、ディスクから見たＡＢＳの図であって、ＣＰＰ ＭＲセンサ構造を構成する層を示す図である。センサ１００は、２つの磁気シールド層Ｓ１、Ｓ２間に形成された層スタックを含むＣＰＰ ＭＲ読み取りヘッドである。センサ１００は、ＡＢＳにおける前端と、トラック幅（ＴＷ）を画定する離間された側端１０２、１０４とを有する。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、導電材料で形成され、したがって、センサスタックにおける層を略垂直に通って導かれるバイアスまたはセンス電流ＩＳ用の導線として機能し得る。代替として、別個の導線層を、磁気シールドＳ１、Ｓ２とセンサスタックとの間に形成してもよい。下部の磁気シールドＳ１は、典型的には化学機械研磨（ＣＭＰ）によって研磨されて、センサスタックの成長用の平滑な基板を提供する。薄いＲｕ／ＮｉＦｅ二重層などのシード層１０１が、典型的にはスパッタリングによって磁気シールドＳ２の下に堆積され、比較的厚い磁気シールドＳ２の電気めっきを容易にする。
【００１８】
センサ１００の層は、固定磁気モーメントまたは磁化方向１２１を横に（ページの中へと）配向した基準強磁性層１２０と、ディスク１２からの横の外部磁界に応じて層１１０の平面において回転できる磁気モーメントまたは磁化方向１１１を有する自由強磁性層１１０と、基準層１２０と自由層１１０との間の非磁性スペーサ層１３０とを含む。ＣＰＰ ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰ ＧＭＲセンサであってもよく、その場合には、非磁性スペーサ層１３０は、導電材料、典型的にはＣｕ、ＡｕまたはＡｇのような金属で形成され得る。代替として、ＣＰＰ ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰトンネルＭＲ（ＣＰＰ−ＴＭＲ）センサであってもよく、その場合には、非磁性スペーサ層１３０は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３のような電気絶縁材料で形成されたトンネルバリア（トンネル障壁）となるだろう。
【００１９】
ＣＰＰ ＭＲセンサにおけるピン止め（pinned）強磁性層は、単一のピン止め層または図４に示す構造のような逆平行（ＡＰ）ピン止め構造であってもよい。ＡＰピン止め構造は、非磁性逆平行結合（ＡＰＣ）層１２３によって分離された第１の（ＡＰ１）１２２および第２の（ＡＰ２）１２０強磁性層を有し、２つのＡＰピン止め強磁性層の磁化方向は、ほぼ逆平行に配向されている。ＡＰ２層１２０は、片側で非磁性ＡＰＣ層１２０に接触し、反対側でセンサの電気的非磁性スペーサ層１３０に接触し、典型的には基準層と呼ばれる。ＡＰ１層１２２は、典型的には片側で反強磁性層１２４または硬質磁石ピニング層（hard magnet pinning layer）に接触し、反対側で非磁性ＡＰＣ層１２３に接触しており、典型的にはピン止め層と呼ばれる。ＡＰピン止め構造は、基準／ピン止め層とＣＰＰ ＭＲ自由強磁性層との間の正味の静磁結合を最小化する。ＡＰピン止め構造はまた、「積層」ピン止め層または合成反強磁性体（ＳＡＦ）と呼ばれることもある。
【００２０】
図４のＣＰＰ ＧＭＲセンサにおけるピン止め層は、ＡＰ結合（ＡＰＣ）層１２３をはさんで反強磁性的に結合された基準強磁性層１２０（ＡＰ２）およびより低い強磁性層１２２（ＡＰ１）を備えた周知のＡＰピン止め構造である。ＡＰＣ層１２３は、典型的にはＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒまたはそれらの合金である。ＡＰ１およびＡＰ２層は、自由強磁性層１１０と同様に、典型的には、結晶ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅ合金など、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉの１つもしくは複数の強磁性合金、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ二重層など、これらの材料の多層で形成される。ＡＰ１およびＡＰ２強磁性層は、それらのそれぞれの磁化方向１２７、１２１が逆平行に配向されている。ＡＰ１層１２２は、その磁化方向を、図４に示すような反強磁性（ＡＦ）層１２４に交換結合されることによってピン止めされてもよい。ＡＦ層１２４は、典型的にはＭｎ合金、例えばＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｈＭｎである。代替として、ＡＰピン止め構造は、「自己ピン止め」であってもよい。「自己ピン止め」センサにおいて、ＡＰ１およびＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、典型的には、製造されたセンサ内に存在する磁気歪みおよび残留応力によってディスク表面に略垂直に設定される。ＡＰ１およびＡＰ２層が、同様のモーメントを有することが望ましい。これによって、次のことが保証される。すなわち、自由層１１０への静磁結合が最小化され、かつＡＰピン止め構造の正味の磁気モーメントにほぼ反比例する、ＡＦ層１２４の有効ピニング磁界が高いままで維持されるように、ＡＰピン止め構造の正味の磁気モーメントが小さいことが保証される。
【００２１】
シード層１２５は、下部のシールド層Ｓ１とＡＰピン止め構造との間に位置してもよい。ＡＦ層１２４が用いられる場合に、シード層１２５は、ＡＦ層１２４の成長を向上させる。シード層１２５は、典型的には、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｔａ、ＣｕまたはＲｕの１つの層であるか、またはこれらの材料からなる複数の層である。キャッピング層１１２は、自由強磁性層１１０と上部のシールド層Ｓ２との間に位置する。キャッピング層１１２は、腐食を防止し、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、またはＲｕ／Ｔａ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔｉ／Ｒｕ、もしくはＣｕ／Ｒｕ／Ｔａの３層など、単一層または異なる材料からなる多層であってもよい。
【００２２】
また、ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔ硬質磁性バイアス層などの強磁性バイアス層１１５が、典型的には、センサ１００の側端１０２、１０４の近くでセンサスタックの外側に形成される。バイアス層１１５は、絶縁層１１６によって、センサ１００の側端１０２、１０４から電気的に絶縁される。ＣｒＭｏまたはＣｒＴｉのようなＣｒ合金などのオプションのシード層１１４を、絶縁層１１６上に堆積して、特にバイアス層がＣｏＰｔまたはＣｏＰｔＣｒ層である場合にバイアス層１１５の成長を促進するようにしてもよい。Ｃｒ層またはＴａ／Ｃｒ多層などのキャッピング層１１８は、バイアス層１１５上に堆積される。また、キャッピング層１１８の上部層、例えばＣｒは、センサの製造中に、化学機械研磨（ＣＭＰ）停止層としての役目を果たす。バイアス層１１５は、ＡＢＳに略平行な磁化１１７を有し、したがって自由層１１０の磁化１１１に長手方向にバイアスをかける。したがって、外部磁界がない状態で、バイアス層１１５の磁化１１７は、自由層１１０の磁化１１１と平行である。強磁性バイアス層１１５は、反強磁性層に交換結合される硬質磁性バイアス層または強磁性層であってもよい。シールド層Ｓ２用の、ＮｉＦｅ層などのシード層１０１は、センサ１００およびキャッピング層１１８の上に位置してもよい。
【００２３】
対象の範囲となる外部磁界、すなわちディスク上の記録されたデータからの磁界が存在する状態において、自由層１１０の磁化方向１１１は回転し、一方で基準層１２０の磁化方向１２１は、固定されたままで回転しない。したがって、センス電流Ｉｓが、上部の磁気シールドＳ２からセンサスタックを垂直に通って底部の磁気シールドＳ１に（またはＳ１からＳ２に）印加された場合に、ディスク上の記録されたデータからの磁界は、基準層磁化１２１に対して自由層磁化１１１の回転を引き起こし、それは、電気抵抗における変化として検出可能である。
【００２４】
しかしながら、センス電流ＩＳが、ある臨界電流（ＩＣ）より大きい場合に、スピントルク（ＳＴ）効果は、自由層磁化の旋回または変動が生じて、センサの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を望ましくないレベルまで低減する、かなりの低周波磁気ノイズが生じる可能性がある。
【００２５】
スピントルク発振器（ＳＴＯ）センサと呼ばれる、ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいた代替センサは、Ｉｃより大きい電流で動作し、故意にＳＴ効果を誘起し、したがって自由層に作用する、ＳＴによって誘起された力を利用する。Ｉｃより高い電流が、このタイプのＳＴＯセンサを通して導かれる場合に、自由層の磁化は、ＳＴ効果によって歳差運動または発振する。この歳差運動の周波数（発振周波数）は、外部磁界の印加でシフトし、これらの周波数シフトは、外部磁界における変化を検出するために用いることができる。したがって、ＳＴＯセンサは、例えば本出願と同一の譲受人に譲渡された特許文献１、および特許文献２に説明されているように従来のＣＰＰ−ＧＭＲおよびＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドに取って代わるために、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するように提案されている。
【００２６】
高ＳＮＲ信号復調は、バックグラウンドを超える高いＳＴＯ出力電力および低い発振器位相ノイズの両方を必要とし、この低い発振器位相ノイズは、発振器の周波数応答における狭いスペクトル線幅によって特徴付けられる。本発明において、発振自由層の固有の磁気減衰が増加される。周知のランダウ−リフシッツ−ギルバート−スロンチェスキー方程式は、有効磁界Ｈｅｆｆ、および電流Ｉを用いて励起される減衰を備えた固体における磁化Ｍの歳差運動を説明している。
【数１】
パラメータαは、ギルバート減衰定数またはパラメータで、無次元係数であり、固体に依存するものである。γは、電子の磁気回転比であり、ｅは、電子電荷であり、ｈは、換算プランク定数であり、ＭｓおよびＶは、それぞれ、発振磁石の飽和磁化および体積であり、Ｍｆｉｘｅｄは、基準層の磁化方向であり、ｇ（θ）は、自由層および基準層モーメント間の角度に対するスピントルクの依存を説明する関数である。
【００２７】
本発明では、発振自由層の磁気減衰の増加によって、ＳＴＯにおける発振を励起するために必要な臨界電流Ｉｃが増加し、したがって、磁界検出および高周波ＲＦ電子機器の両方における用途に重要である出力信号強度を改善する。より重要なことに、シミュレーションは、次のことを示している。すなわち、従来の強磁性共振に反して、ＳＴにより生成された大きい歳差運動角度の発振に関して、減衰の増加は、発振器の歳差運動角度の熱的に駆動された変動によって誘起される位相ノイズ、つまり発振器のスペクトル応答の線幅を拡大する主要なメカニズムである位相ノイズを低減することができる。これらの結果を達成するために、本発明によるＳＴＯは、好ましくは０．０５より大きい、比較的高いギルバート減衰パラメータを備えた自由層を有する。
【００２８】
図５は、本発明の第１の実施形態によるＳＴＯセンサ２００を用いる磁界検出システムの概略図である。システムは、ＳＴＯセンサ２００を備えた磁気記録ディスクドライブとして示され、そのＡＢＳは、ディスク２５０に面している。センサ２００は、ＣＰＰセンサ１００に関して前に説明したようにＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサの個別層のスタックを含む。ディスク２５０は、基板２５２と、ＡＢＳの方へかまたはＡＢＳから離れるように向けられた矢印によって示された磁化領域を備えた磁気記録媒体として働く記録層２５４とを有する。ディスクが回転するにつれて、磁化領域は、センサ２００を過ぎて矢印２１５の方向に移動する。記録層２５４は、記録層２５４の平面に垂直に磁化された領域を備えた垂直磁気記録媒体として示されているが、しかし代替として、それは、記録層２５４の平面に磁化された領域を備えた長手磁気記録媒体であってもよい。ＳＴＯセンサ２００は、層セットの堆積用の基板として働き得る第１のシールド層Ｓ１と、第２のシールド層Ｓ２と、外部磁界が存在する状態で自由に発振して検出される実質的な面内磁化２１１を有する単一の自由強磁性層２１０とを有する。自由層２１０は、ＧＭＲ構造の一部を形成し、非磁性導電スペーサ層２３０と、固定された面内磁化２２１を有する基準層２２０とを備える。基準層２２０は、ＡＰピン止め構造の単一のピン止め層またはＡＰ２層であってもよい。非強磁性導電金属「遮断」層２２５が、Ｓ１と第１の基準層２２０との間に位置して、Ｓ１と基準層２２０またはセンサスタックにおける他の強磁性層との間のどんな磁気交換相互作用も遮断する一方で、電気伝導を可能にする。同様に、非強磁性導電金属「遮断」層２６５が、Ｓ２と自由層２１０との間に位置する。層２２５、２６５用の典型的な材料は、Ｃｕ、Ａｇ、ＴａおよびＲｕである。スタックにおけるセンサ層の順序は、図５に示すものから逆にすることができ、自由層２１０が、Ｓ１上の層２６５上に最初に堆積され、導電スペーサ層２３０、基準層２２０および層２２５が続き、Ｓ２が層２２５上に位置する。また、ＳＴＯセンサ２００は、ＧＭＲセンサではなくＴＭＲセンサに基づいたセンサであってもよく、その場合に非磁性導電スペーサ層２３０は、絶縁トンネル障壁層によって取って代わられることになろう。
【００２９】
ＳＴＯセンサ２００は、励起電流Ｉｅ源３１０を含む電気回路への接続のための電気接点または端子３０１、３０２を有する。図５では図解を楽にするために、端子３０１、３０２は、それらのそれぞれの層に直接接続されているように示されているが、端子３０１、３０２は、図２に示すように、スライダ２２の後面２５における端子パッド２９によって、スライダの後面に位置することになるだろう。センサは、ＡＢＳから奥まった位置になる後部領域に、層を互いに電気的に絶縁するための絶縁材料２９０を含む。
【００３０】
ＳＴＯセンサ２００に接続された電気回路は、層スタックを通して端子３０１、３０２間に直流（ＤＣ）励起電流Ｉｅを供給する定電流源３１０と、検出器３５０とを含む。励起電流は、ＧＭＲ構造用の臨界電流Ｉｃより大きく、かつ外部磁界がない状態において固定されたベース周波数で自由層２１０の磁化２１１を発振させるための十分な電流密度を提供するように十分に高い。検出器３５０は、前記電気回路に結合され、かつ記録層２５４の磁化領域からの外部磁界に応じて、自由層磁化２１１の発振周波数における、ベース周波数からのシフトを検出する。電流源３１０は、代わりに、交流（ＡＣ）励起電流またはＤＣバイアスを備えたＡＣ励起電流を印加してもよい。これによって、文献、例えば、非特許文献１および特許文献４で周知のように、位相検出による磁界の関連する引き込み（pulling）および検出と共に、固定駆動周波数への発振器の周波数ロッキングが可能になる。
【００３１】
本発明の第１の実施形態において、自由層２１０は、従来のＣＰＰセンサ用に用いられる材料のような任意のタイプの強磁性体であるが、しかしその磁気減衰を増加させるためのドーパントまたは不純物として、１つまたは複数の減衰元素を含む。減衰元素は、１５のランタニド元素ならびに白金（Ｐｔ）およびパラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される。ランタニドは、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）である。ＰｔおよびＰｄは、非特許文献２によって説明されているように、強いスピン軌道結合を備えた重元素である。不純物の量は、自由層組成の約１〜５原子パーセントの範囲であるのが好ましい。例えば、自由層２１０は、組成（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）１００−ｙＸｙを有してもよく、ここでｙは、約１〜５であり、Ｘは、選択された元素の１つまたは複数を表す。磁気減衰パラメータは、少なくとも０．０５、好ましくは０．０５を超えるべきである。例えば、ＣｏＦｅ強磁性材料は、０．０１〜０．０３の固有磁気減衰パラメータを有してもよいが、しかし約１〜５原子パーセントの量でＤｙの追加を伴ってもよく、磁気減衰パラメータは、０．０５〜０．１５のどこかに増加される。
【００３２】
図６は、本発明の第２の実施形態によるＳＴＯセンサ２００を用いる磁界検出システムの概略図である。図６の実施形態は、自由層２１０がドープされないが、しかし減衰層２１２によって磁気的に減衰される点を除いて、図５の実施形態と同様である。減衰層２１２は、スペーサ層２３０に隣接する自由層２１０の側と反対側の自由層２１０の側に接触している。図６における減衰層２１２は、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＩｒＭｎＣｒ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎおよびＲｈＭｎ合金などのＭｎ合金のような反強磁性材料で形成してもよい。例えば、自由層２１０が、約０．０１５の固有磁気減衰パラメータを備えたＣｏＦｅ強磁性材料である場合に、ＩｒＭｎで形成された６〜８ｎｍ厚の反強磁性減衰層２１２の追加によって、磁気減衰パラメータは、約０．１に増加される（非特許文献３を参照されたい）。反強磁性減衰層２１２に対する変更点として、二重層減衰層を、自由層２１０と反強磁性減衰層２１２との間で、反強磁性層およびＣｕまたはＡｇなどの非磁性金属導電分離層で形成してもよい。分離層は、約０．１〜３ｎｍの厚さを有してもよい。
【００３３】
特許文献５は、図５および図６について上述したような、自由層を減衰するための手段を備えたＳＴＯを記載している。しかしながら、この参考文献は、過度の値の電流密度（約１０７Ａ／ｃｍ２以上）を回避するために、自由層の比較的穏やかな減衰（０．０１〜０．０５のギルバート減衰パラメータ）を対象としている。対照的に、本発明において、少なくとも２つの理由で、この範囲の減衰を超えることが望ましい。第１に、ＳＴＯの信号電力は、励起電流の平方にほぼ比例するので、発振を励起するために、はるかに高い電流密度（＞１０７Ａ／ｃｍ２）使用できるように、減衰を増加させることには著しい利点がある。第２に、０．０５のギルバートパラメータを超えて減衰を増加させることによって、自由層モーメントの歳差運動軌道への摂動がより少なくなることが発見された。これにより、より少ない位相ノイズとなるとともに、ＳＴＯのスペクトル純度における改善がなされる。すなわち、信号が、周波数空間において測定される場合に、より狭い線幅を備えたスパイクが得られる。
【００３４】
図６に示す本発明の第２の実施形態に関して、反強磁性減衰層の代替は、Ｐｔ、Ｐｄおよび、上述した複数のランタニドから選択された元素の１つまたは複数で形成された減衰層２１２である。例えば、自由層２１０が、０．０１５の固有磁気減衰パラメータを備えたＣｏＦｅ強磁性材料である場合に、Ｄｙで形成された１ｎｍ厚の減衰層２１２の追加によって、磁気減衰パラメータは約０．０５に増加される（非特許文献４を参照されたい）。
【００３５】
図７は、磁界検出システムの概略図であり、ここで、磁界検出システムは、ＳＴＯセンサ２００（図５および６）と異なるＳＴＯセンサ４００を用いるが、ＳＴＯセンサ２００に関連して上記したような自由層を減衰するための手段を備えるものである。ＳＴＯセンサは、基準層を用いないが、しかし非磁性導電逆平行結合（ＡＰＣ）層４６０によって分離された２つの逆平行結合自由強磁性層４５０、４５４を有する。図７に示すセンサのようなＳＴＯセンサが、２００９年１２月１１日出願で、本出願と同一の譲受人に譲渡された特許文献３に説明されている。自由強磁性層４５０、４５４は、実質的な面内磁化４５１、４５５をそれぞれ有するが、しかし磁化４５１、４５５は、励起電流がない状態でほぼ逆平行に配向される。磁化４５１、４５５は、外部磁界が存在する状態で自由に発振して検出される。ＡＰＣ層４６０は、薄くて典型的には約０．２〜３ｎｍであり、２つの自由層４５０、４５４を強く逆平行結合する。ＡＰＣ層４６０は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒなどの材料または逆平行結合を提供できる他の適切な非磁性導電材料で形成してもよく、かつ偏極の（スピン軌道散乱から生じ得るような）十分に低いスピン散乱を有するべきである。自由層４５０、４５４は、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅなどの磁性材料もしくはこれらの材料の組み合わせ、または当該技術分野において周知の、ＧＭＲおよびＴＭＲ磁気抵抗センサ用に用いられる任意の他の適切な自由層材料で形成してもよい。この反強磁性的に結合されたシステムを達成するために、自由層の１つは、もう一方の自由層より大きい磁気モーメントを有することが望ましい。磁気モーメントは、磁気層の物理的厚さに、層を構成する材料の飽和磁化を掛けた積として定義することができる。例として、自由層４５０、４５４は、同一または同様の磁性材料で形成することができ、一方の層４５０は、約４ｎｍの物理的厚さを有し、もう一方の層４５４は、約２ｎｍの物理的厚さを有することができる。
【００３６】
電流源３１０から層スタックを通る励起電流は、ＳＴ効果の結果として、磁化４５１、４５４に発振させる。ＳＴによって誘起された発振は、前述のように磁界に応じて変化する周波数で、歳差運動または円錐式に移動し、検出器３５０によって検出される。磁化４５１、４５５が、逆平行結合された場合に、それらは、ＡＰＣ層４６０と平行な平面上にもたらされる両層のモーメントが、互いに対してはさみ状（scissor like motion）の運動を維持するような方式で発振する。したがって、この発振中に、磁化４５１、４５５は、互いに逆平行に、および逆平行でないように運動する。これは、外部磁界に応じる周波数を有するセンサスタック全体にわたって抵抗の変化を引き起こす。両方の自由層の磁化が移動する上記のはさみ状運動は、自由層磁化運動が大きく、かつピン止め層磁化がほぼ静止している図５のセンサのような前述のＳＴＯセンサの運動とは異なる。
【００３７】
本発明において、図７のＳＴＯセンサには、図５および６の実施形態に関連して上記した技術のいずれか１つを用いて、一方または両方の自由層４５０、４５４の磁気減衰を増加させるための手段が含まれる。したがって、自由層４５０、４５４の一方または両方は、Ｐｔ、Ｐｄおよび上述した複数のランタニドから選択された１つまたは複数の元素でドープしてもよい。自由層４５０、４５４の一方または両方は、反強磁性減衰層、または反強磁性層および分離層の二重層によって磁気的に減衰してもよく、反強磁性減衰層または二重層は、ＡＰＣ層４６０に隣接する側とは反対の自由層側に位置している。自由層４５０、４５４の一方または両方は、Ｐｔ、Ｐｄおよびランタニドから選択された元素の１つまたは複数によって形成された減衰層によって磁気的に減衰もよく、減衰層は、ＡＰＣ層４６０に隣接する側とは反対の自由層側に位置している。
【００３８】
図５のセンサのように、図７の磁気的に減衰されたＳＴＯセンサにおいて、２つの自由層の発振を励起するために高電流密度（＞１０７Ａ／ｃｍ２）を使用できることを保証するために、自由層の少なくとも１つにおけるギルバート減衰パラメータが、０．０５より大きいことが好ましい。しかしながら、図７のＳＴＯセンサにおいて、両方の自由層のギルバート減衰パラメータが、０．０５未満であり、かつそれでも高い信号出力電力を供給するのに十分な高電流を結果としてもたらすことが可能である。
【００３９】
前述のように、本発明は、減衰の増加が、発振器の歳差運動角度の熱的に駆動された変動によって誘起される位相ノイズ、すなわち発振器のスペクトル応答の線幅を拡大する主要なメカニズムである位相ノイズを低減できるという発見に部分的に基づいている。線幅拡大に寄与する位相ノイズの２つの発生源があり、それらの両方とも熱変動から生じる。これらは、スピンの運動に沿った、およびスピンの運動に垂直な変動、すなわち「速度ノイズ」および「角度ノイズ」である。速度ノイズの値は、比較的低く計算されてきたため、角度ノイズが、位相ノイズを支配すると予想される。熱変動によって引き起こされる自由層の歳差運動角度θの半値全幅（ＦＷＨＭ）分布は、Δθである。Δθに対する温度および減衰の効果が、シミュレーションモデリングから計算され、図８に示されている。図８の結果は、自由層減衰の増加が、歳差運動角度における熱的に駆動された変動を低減する点で効果を有し、それによって発振器の位相ノイズを減少させ得ることを示している。
【００４０】
前述のように、磁界センサ、特に磁気記録ディスクドライブ読み取りヘッドとしての用途を用いて、本発明によるＳＴＯを詳細に説明したが、本発明は他の用途を有する。ＳＴＯの他の用途には、それらの全てが、自由層発振の周波数または位相検出するために高信号出力から利益を得られるであろうが、ミキサ、ラジオ、携帯電話およびレーダ（車両レーダを含む）が含まれる。例えば、非特許文献５を参照されたい。
【００４１】
さらに別の用途は、磁気記録ディスクドライブなど、磁気記録における高周波数アシスト書き込み用である。マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）とも呼ばれるこの技術において、ＳＴＯは、高周波発振磁界を、従来の書き込みヘッドからの書き込み磁界への補助磁界として、記録層の磁気粒子に印加する。補助磁界は、記録層における磁気粒子の共振周波数に近い周波数を有して、他の場合で、アシストされた記録なしで可能であると考えられるよりも低い従来の書き込みヘッドからの書き込み磁界で、粒子の磁化の切り替えを容易にし得る。ＭＡＭＲシステムの一タイプにおいて、ＧＭＲまたはＴＭＲのいずれかに基づいたＳＴＯは、層の平面に垂直に配向された基準層の磁化、および励起電流がない状態で層の平面に垂直に配向された自由層の磁化で動作する。例えば、非特許文献６を参照されたい。したがって、図５に示すＳＴＯように、本発明によるＳＴＯが、ＭＡＭＲ用のＳＴＯとして用いられる場合に、基準層２２０の磁化は、層の平面に垂直に配向され、自由層２１０の磁化２１１もまた、励起電流Ｉｅがない状態で、層の平面に垂直に配向されることになろう。
【００４２】
好ましい実施形態に関連して本発明を特に図示し説明したが、形態および詳細における様々な変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに行い得ることを当業者は理解されよう。したがって、開示した発明は、単に実例であり、添付の特許請求の範囲において規定される範囲でのみ限定されると考えるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１２ 磁気記録ディスク
１３ 回転中心
１４ アクチュエータ
１５ 方向
１６ ハウジングまたはベース
１７ 軸
１８ アクチュエータアーム
２０ サスペンション
２２ スライダ
２３ 曲げ部
２４ 読み取り／書き込みヘッド
２５ 後面
２７ 空気ベアリング面（ＡＢＳ）
２９ 端子パッド
５０ データトラック
１００ センサまたは読み取りヘッド
１０１ シード層
１０２ 側端
１０４ 側端
１１０ 自由強磁性層
１１１ 磁化方向
１１２ キャッピング層
１１４ シード層
１１５ 強磁性バイアス層
１１６ 絶縁層
１１７ 磁化
１１８ キャッピング層
１２０ 基準層
１２１ 磁化方向
１２２ より低い強磁性層
１２３ 非磁性逆平行結合（ＡＰＣ）層
１２４ 反強磁性層
１２５ シード層
１２７ 磁化方向
１３０ 非磁性スペーサ層
２００ ＳＴＯセンサ
２１０ 自由強磁性層
２１１ 面内磁化
２１２ 反強磁性減衰層
２１５ 矢印
２２０ 基準層
２２１ 固定面内磁化
２２５ 非強磁性導電金属遮断層
２３０ 非磁性導電スペーサ層
２５０ ディスク
２５２ 基板
２５４ 記録層
２６５ 非強磁性導電金属遮断層
２９０ 絶縁材料
３０１ 端子
３０２ 端子
３１０ 励起電流源
３５０ 検出器
４００ ＳＴＯセンサ
４５０ 逆平行結合自由強磁性層
４５１ 面内磁化
４５４ 逆平行結合自由強磁性層
４５５ 面内磁化
４６０ 非磁性導電逆平行結合（ＡＰＣ）層
Ｓ１ 磁気シールド層
Ｓ２ 磁気シールド層
ＴＷ トラック幅
ＷＰ 書き込み磁極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にスピントルク発振器（ＳＴＯ）に関し、特に磁界センサ、およびＳＴＯセンサを用いる検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして用いられる従来の磁気抵抗（ＭＲ）センサの一タイプが、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果に基づいた「スピンバルブ」センサである。ＧＭＲスピンバルブセンサは、典型的には銅（Ｃｕ）である非磁性導電スペーサ層によって分離された２つの強磁性層を含む層スタックを有する。スペーサ層に隣接する１つの強磁性層は、隣接する反強磁性層との交換結合によってピン止めされることなどによって、自身の磁化方向を固定させるものであり、基準層と呼ばれている。スペーサ層に隣接するもう一方の強磁性層は、外部磁界が存在する状態で、自身の磁化方向を自由に回転できるものであり、自由層と呼ばれている。センス電流がセンサに印加されると、ディスク上の記録された磁気ビットなどからの外部磁界の存在ゆえに、基準層磁化に対する自由層磁化の回転は、電気抵抗における変化として検出可能である。センス電流が、センサスタックにおける層の平面を垂直に通って導かれた場合、センサは、面直電流（ＣＰＰ）センサと呼ばれる。
【０００３】
ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドに加えて、別のタイプのＣＰＰセンサは、トンネルＭＲまたはＴＭＲセンサとも呼ばれる磁気トンネル接合センサであり、このセンサにおいて、非磁性スペーサ層は、非常に薄い非磁性トンネル障壁層である。ＣＰＰ−ＴＭＲセンサにおいて、層を垂直に通るトンネル電流は、２つの強磁性層における磁化の相対配向に依存する。ＣＰＰ−ＧＭＲ読み取りヘッドにおいて、非磁性スペーサ層は、導電材料、典型的にはＣｕまたはＡｇなどの金属で形成される。ＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドにおいて、非磁性スペーサ層は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３などの電気絶縁材料で形成される。
【０００４】
ＣＰＰ ＭＲセンサにおいて、信号および信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を最大限にするために、高バイアスまたはセンス電流密度でセンサを動作させることが望ましい。しかしながら、ＣＰＰ ＭＲセンサが、電流によって誘起されたノイズおよび不安定性に弱いことが周知である。スピン偏極バイアス電流は、強磁性層を垂直に通って流れ、局所磁化に対してスピントルク（ＳＴ）効果を生じさせる。これは、磁化の変動が生じて、センス電流が大きい場合にはかなりの低周波磁気ノイズに帰着する可能性がある。
【０００５】
スピントルク発振器（ＳＴＯ）センサと呼ばれる、ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサ構造のいずれかに基づいた代替センサは、ＳＴ効果が磁化の永続的な歳差運動を生成するように設計される。臨界電流（ＩＣ）より高い固定直流電流がＳＴＯセンサを通して導かれる場合、自由層の磁化は、ＳＴ効果によって歳差運動または発振する。適切に設計された構造において、この歳差運動の周波数（発振周波数）は、外部磁界の印加と共にシフトし、これらの周波数シフトは、外部磁界における変化を検出するために用いることができる。したがって、ＳＴＯセンサは、例えば、本出願と同一の譲受人に譲渡された特許文献１および特許文献２に説明されているように、従来のＣＰＰ−ＧＭＲおよびＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドに取って代わるために、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するように提案されている。ＣＰＰ−ＧＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、基準層と自由層との間の、その非磁性導電スペーサ層ゆえに、ＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサより高い電流密度で動作することができる。しかしながら、ＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサは、ＣＰＰ−ＧＭＲセンサに基づいたＳＴＯセンサより著しく高い磁気抵抗（ΔＲ／Ｒ）を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１００３２８７９９ Ａ１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００９０２０１６１４ Ａ１号明細書
【特許文献３】米国特許出願第１２／６３６，１０８号明細書
【特許文献４】米国特許第７，６３３，６９９号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００８０２４１５９７ Ａ１号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】“Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｌｏｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｐｕｌｌｉｎｇ ｉｎ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓ”， Ｂ Ｒａｚａｖｉ， ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｊ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ３９， １４１５ （２００４）
【非特許文献２】Ｔｓｅｒｋｏｖｎｙａｋ ｅｔ ａｌ．， “Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｇｉｌｂｅｒｔ Ｄａｍｐｉｎｇ ｉｎ Ｔｈｉｎ Ｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｌｍｓ”， Ｐｈｙｓ Ｒｅｖ Ｌｅｔｔ， Ｖｏｌ． ８８， Ｎｏ． １１， １８ Ｍａｒｃｈ ２００２， １１７６０１
【非特許文献３】Ｎ． Ｓｍｉｔｈ ｅｔ ａｌ．， Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｂ ８１， １８４４３１ （２０１０）
【非特許文献４】Ｓ． Ｍａａｔ ｅｔ ａｌ．， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ ９３ （２００８） １０３５０６
【非特許文献５】“ＳＴＯ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｖｓ． ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｎｇｌｅ： Ｔｈｅ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｂｅｙｏｎｄ ６５ ＧＨｚ”， ｂｙ Ｂｏｎｅｔｔｉ ｅｔ ａｌ， ＡＰＬ ９４ １０２５０７ （２００９）
【非特許文献６】“Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ”， ｂｙ Ｊ． Ｇ． Ｚｈｕ ｅｔ ａｌ．， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ， Ｖｏｌ． ４４， Ｎｏ． １， Ｊａｎｕａｒｙ ２００８， ｐｐ． １２５−１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
高い信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を備えたＳＴＯセンサが望ましい。したがって、ＳＴＯセンサは、バックグラウンドを超える高いＳＴＯ出力電力、および低い発振器位相ノイズの両方を有するべきであり、この低い発振器位相ノイズは、発振器の周波数応答における狭いスペクトル線幅によって特徴付けられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、発振自由層の磁気減衰の増加を伴い、それによって臨界電流を増加させる、ＳＴＯ磁界センサなどのスピントルク発振器（ＳＴＯ）に関する。ランダウ−リフシッツ−ギルバート−スロンチェスキー方程式（Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation）からのギルバート磁気減衰パラメータ（α）は、少なくとも０．０５、好ましくは０．０５を超えるべきである。一実施形態において、自由層は、従来のＣＰＰセンサ用に用いられる材料のような任意のタイプの強磁性材料であるが、その磁気減衰を増加させるためのドーパントまたは不純物として１つまたは複数の減衰元素を含む。減衰元素は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）および１５のランタニド元素からなる群から選択される。別の実施形態において、自由層減衰は、非磁性スペーサ層に隣接する自由層側と反対の自由層側に隣接する減衰層によって増加される。減衰層の一タイプは、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎおよびＲｈＭｎから選択されたＭｎ合金のような反強磁性材料で形成してもよい。反強磁性減衰層に対する変更点として、二重層減衰層を、反強磁性層と、自由層および反強磁性層間の、ＣｕまたはＡｇなどの非磁性金属導電分離層とで形成してもよい。別のタイプの減衰層は、Ｐｔ、Ｐｄおよびランタニドから選択された元素の１つまたは複数で形成した層であってもよい。
【００１０】
自由層減衰が増加したＳＴＯは、自由強磁性層と基準強磁性層との間に非磁性スペーサ層を備えたＧＭＲまたはＴＭＲに基づいた前述のタイプであってもよい。ＳＴＯはまた、２００９年１２月１１日に出願され本出願と同一の譲受人に譲渡された係属中の出願（特許文献３）で説明されているＳＴＯのように、基準層を用いないが、しかし非磁性導電逆平行結合層（nonmagnetic electrically conductive antiparallel coupling layer）によって分離された２つの逆平行結合自由強磁性層（antiparallel-coupled free ferromagnetic layer）を有するＳＴＯであってもよい。このタイプのＳＴＯにおいて、自由層の一方または両方は、上記の技術のいずれかによって磁気的に減衰してもよい。
【００１１】
本発明の性質および利点のより完全な理解のために、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】カバーを除去された従来の磁気記録ハードディスクドライブの上面概略図である。
【図２】図１の方向２−２に沿ったスライダの拡大端面図およびディスクの断面図である。
【図３】図２の方向３−３における図であり、かつ読み取り／書き込みへッドの端部を備えたスライダの空気ベアリング面（ＡＢＳ）を示す。
【図４】先行技術による磁気シールド層間に位置する層スタックを示す、面直電流磁気抵抗（ＣＰＰ ＭＲ）読み取りヘッドにおけるＡＢＳの断面概略図である。
【図５】ドープされた自由強磁性層を備えた、本発明の第１の実施形態による磁界スピントルク発振器（ＳＴＯ）検出システムの概略図である。
【図６】自由強磁性層に隣接する減衰層を備えた、本発明の第２の実施形態による磁界ＳＴＯ検出システムの概略図である。
【図７】基準層がなく２つの逆平行結合された自由強磁性層を備えたＳＴＯセンサを用いる磁界ＳＴＯ検出システムの概略図である。
【図８】マクロスピンシミュレーションを用いて計算された２つのギルバート減衰パラメータ値用の温度の関数としての、自由層歳差運動角度のモデル化された半値全幅（ＦＷＨＭ）分布のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明による３端子ＳＴＯは、磁界センサとして以外の用途を有するが、しかし磁気記録ディスクドライブ読み取りヘッドとして以下で詳細に説明する。
【００１４】
図１〜４は、従来のＣＰＰ磁気抵抗（ＭＲ）磁界検出センサおよびシステムを示す。図１は、従来の磁気記録ハードディスクドライブのブロック図である。ディスクドライブは、ディスクドライブハウジングまたはベース１６上に支持された磁気記録ディスク１２および回転ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）アクチュエータ１４を含む。ディスク１２は、回転中心１３を有し、かつベース１６に取り付けられたスピンドルモータ（図示せず）によって、方向１５に回転される。アクチュエータ１４は、軸１７を中心に旋回し、剛性アクチュエータアーム１８を含む。略可撓性サスペンション２０は、曲げ要素２３を含み、アーム１８の端部に装着される。ヘッドキャリアまたは空気ベアリングスライダ２２が、曲げ部２３に装着される。磁気記録読み取り／書き込みへッド２４が、スライダ２２の後面（trailing surface）２５上に形成される。曲げ部２３およびサスペンション２０によって、スライダは、回転するディスク１２によって生成される空気ベアリング上で「ピッチ（前後方向での傾斜）」および「ロール（左右方向での傾斜）」することが可能になる。典型的には、スピンドルモータによって回転されるハブ上には複数のディスクが積み重ねられ、別個のスライダおよび読み取り／書き込みへッドが、各ディスク表面に関連付けられる。
【００１５】
図２は、図１の方向２−２に沿ったスライダ２２の拡大端面図およびディスク１２の断面図である。スライダ２２は、曲げ部２３に装着され、かつディスク１２に面する空気ベアリング面（ＡＢＳ）２７、およびＡＢＳに略垂直な後面２５を有する。ＡＢＳ２７は、回転するディスク１２からの空気流を、ディスク１２の表面に非常に接近しているかまたはほぼ接触しているスライダ２２を支持する空気ベアリングにする。読み取り／書き込みへッド２４は、後面２５上に形成される。また、読み取り／書き込みへッド２４は、後面２５上の端子パッド２９との電気的接続によって、ディスクドライブ読み取り／書き込み電子機器に接続される。図２の断面図に示すように、ディスク１２は、離散データトラック５０がクロストラック方向において間隔をおいて配置されたパターンを有するパターン化媒体ディスクであり、トラック５０の１つが、読み取り／書き込みへッド２４と位置合わせされて示されている。離散データトラック５０は、クロストラック方向にトラック幅ＴＷを有し、かつ円周方向において連続的な磁化可能材料で形成してもよく、この場合に、パターン化媒体ディスク１２は、離散トラック媒体（ＤＴＭ）ディスクと呼ばれる。代替として、データトラック５０には、トラックに沿って間隔をおいて配置された離散データアイランドを含んでもよく、この場合に、パターン化媒体ディスク１２は、ビットパターン化媒体（ＢＰＭ）ディスクと呼ばれる。また、ディスク１２は、記録層がパターン化されていないが、記録材料の連続した層からなる従来の連続媒体（ＣＭ）ディスクであってもよい。ＣＭディスクにおいて、トラック幅ＴＷを備えた同心データトラックは、書き込みヘッドが連続記録層に書き込む場合に作成される。
【００１６】
図３は、図２における方向３−３の図であり、ディスク１２から見たような読み取り／書き込みヘッド２４の端部を示す。読み取り／書き込みへッド２４は、スライダ２２の後面２５に堆積され、リソグラフでパターン化された一連の薄膜である。書き込みヘッドは、垂直書き込み磁極（ＷＰ）を含んでもよい。また、書き込みヘッドは、後部シールドおよび側部シールド（図示せず）の両方またはいずれか一方を含んでもよい。ＣＰＰ ＭＲセンサまたは読み取りヘッド１００は、２つの磁気シールドＳ１およびＳ２間に位置する。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、透磁性材料、典型的にはＮｉＦｅ合金で形成され、また導電性であってもよく、その結果、それらは、読み取りヘッド１００への導線として機能することができる。磁気シールドは、読み取られているデータビットに隣接する記録されたデータビットから読み取りヘッド１００をシールドするように機能する。また、別個の導線を用いてもよく、その場合には、読み取りヘッド１００は、磁気シールドＳ１、Ｓ２と接触している、タンタル、金、ルテニウム、ロジウムまたは銅などの導電性リード材料の層に接触して形成される。図３は、非常に小さな寸法を示のが難しいため、正確な縮尺で示されていない。典型的には、各磁気シールドＳ１、Ｓ２は、トラックに沿った方向における読み取りヘッド１００の全体的厚さ（約１５〜４０ｎｍの範囲になり得る）と比較して、トラックに沿った方向に数マイクロメートルの厚さである。
【００１７】
図４は、ディスクから見たＡＢＳの図であって、ＣＰＰ ＭＲセンサ構造を構成する層を示す図である。センサ１００は、２つの磁気シールド層Ｓ１、Ｓ２間に形成された層スタックを含むＣＰＰ ＭＲ読み取りヘッドである。センサ１００は、ＡＢＳにおける前端と、トラック幅（ＴＷ）を画定する離間された側端１０２、１０４とを有する。磁気シールドＳ１、Ｓ２は、導電材料で形成され、したがって、センサスタックにおける層を略垂直に通って導かれるバイアスまたはセンス電流ＩＳ用の導線として機能し得る。代替として、別個の導線層を、磁気シールドＳ１、Ｓ２とセンサスタックとの間に形成してもよい。下部の磁気シールドＳ１は、典型的には化学機械研磨（ＣＭＰ）によって研磨されて、センサスタックの成長用の平滑な基板を提供する。薄いＲｕ／ＮｉＦｅ二重層などのシード層１０１が、典型的にはスパッタリングによって磁気シールドＳ２の下に堆積され、比較的厚い磁気シールドＳ２の電気めっきを容易にする。
【００１８】
センサ１００の層は、固定磁気モーメントまたは磁化方向１２１を横に（ページの中へと）配向した基準強磁性層１２０と、ディスク１２からの横の外部磁界に応じて層１１０の平面において回転できる磁気モーメントまたは磁化方向１１１を有する自由強磁性層１１０と、基準層１２０と自由層１１０との間の非磁性スペーサ層１３０とを含む。ＣＰＰ ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰ ＧＭＲセンサであってもよく、その場合には、非磁性スペーサ層１３０は、導電材料、典型的にはＣｕ、ＡｕまたはＡｇのような金属で形成され得る。代替として、ＣＰＰ ＭＲセンサ１００は、ＣＰＰトンネルＭＲ（ＣＰＰ−ＴＭＲ）センサであってもよく、その場合には、非磁性スペーサ層１３０は、ＴｉＯ２、ＭｇＯまたはＡｌ２Ｏ３のような電気絶縁材料で形成されたトンネルバリア（トンネル障壁）となるだろう。
【００１９】
ＣＰＰ ＭＲセンサにおけるピン止め（pinned）強磁性層は、単一のピン止め層または図４に示す構造のような逆平行（ＡＰ）ピン止め構造であってもよい。ＡＰピン止め構造は、非磁性逆平行結合（ＡＰＣ）層１２３によって分離された第１の（ＡＰ１）１２２および第２の（ＡＰ２）１２０強磁性層を有し、２つのＡＰピン止め強磁性層の磁化方向は、ほぼ逆平行に配向されている。ＡＰ２層１２０は、片側で非磁性ＡＰＣ層１２０に接触し、反対側でセンサの電気的非磁性スペーサ層１３０に接触し、典型的には基準層と呼ばれる。ＡＰ１層１２２は、典型的には片側で反強磁性層１２４または硬質磁石ピニング層（hard magnet pinning layer）に接触し、反対側で非磁性ＡＰＣ層１２３に接触しており、典型的にはピン止め層と呼ばれる。ＡＰピン止め構造は、基準／ピン止め層とＣＰＰ ＭＲ自由強磁性層との間の正味の静磁結合を最小化する。ＡＰピン止め構造はまた、「積層」ピン止め層または合成反強磁性体（ＳＡＦ）と呼ばれることもある。
【００２０】
図４のＣＰＰ ＧＭＲセンサにおけるピン止め層は、ＡＰ結合（ＡＰＣ）層１２３をはさんで反強磁性的に結合された基準強磁性層１２０（ＡＰ２）およびより低い強磁性層１２２（ＡＰ１）を備えた周知のＡＰピン止め構造である。ＡＰＣ層１２３は、典型的にはＲｕ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｃｒまたはそれらの合金である。ＡＰ１およびＡＰ２層は、自由強磁性層１１０と同様に、典型的には、結晶ＣｏＦｅまたはＮｉＦｅ合金など、Ｃｏ、ＦｅおよびＮｉの１つもしくは複数の強磁性合金、またはＣｏＦｅ／ＮｉＦｅ二重層など、これらの材料の多層で形成される。ＡＰ１およびＡＰ２強磁性層は、それらのそれぞれの磁化方向１２７、１２１が逆平行に配向されている。ＡＰ１層１２２は、その磁化方向を、図４に示すような反強磁性（ＡＦ）層１２４に交換結合されることによってピン止めされてもよい。ＡＦ層１２４は、典型的にはＭｎ合金、例えばＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎ、ＲｈＭｎである。代替として、ＡＰピン止め構造は、「自己ピン止め」であってもよい。「自己ピン止め」センサにおいて、ＡＰ１およびＡＰ２層の磁化方向１２７、１２１は、典型的には、製造されたセンサ内に存在する磁気歪みおよび残留応力によってディスク表面に略垂直に設定される。ＡＰ１およびＡＰ２層が、同様のモーメントを有することが望ましい。これによって、次のことが保証される。すなわち、自由層１１０への静磁結合が最小化され、かつＡＰピン止め構造の正味の磁気モーメントにほぼ反比例する、ＡＦ層１２４の有効ピニング磁界が高いままで維持されるように、ＡＰピン止め構造の正味の磁気モーメントが小さいことが保証される。
【００２１】
シード層１２５は、下部のシールド層Ｓ１とＡＰピン止め構造との間に位置してもよい。ＡＦ層１２４が用いられる場合に、シード層１２５は、ＡＦ層１２４の成長を向上させる。シード層１２５は、典型的には、ＮｉＦｅＣｒ、ＮｉＦｅ、Ｔａ、ＣｕまたはＲｕの１つの層であるか、またはこれらの材料からなる複数の層である。キャッピング層１１２は、自由強磁性層１１０と上部のシールド層Ｓ２との間に位置する。キャッピング層１１２は、腐食を防止し、Ｒｕ、Ｔａ、Ｔｉ、またはＲｕ／Ｔａ／Ｒｕ、Ｒｕ／Ｔｉ／Ｒｕ、もしくはＣｕ／Ｒｕ／Ｔａの３層など、単一層または異なる材料からなる多層であってもよい。
【００２２】
また、ＣｏＰｔまたはＣｏＣｒＰｔ硬質磁性バイアス層などの強磁性バイアス層１１５が、典型的には、センサ１００の側端１０２、１０４の近くでセンサスタックの外側に形成される。バイアス層１１５は、絶縁層１１６によって、センサ１００の側端１０２、１０４から電気的に絶縁される。ＣｒＭｏまたはＣｒＴｉのようなＣｒ合金などのオプションのシード層１１４を、絶縁層１１６上に堆積して、特にバイアス層がＣｏＰｔまたはＣｏＰｔＣｒ層である場合にバイアス層１１５の成長を促進するようにしてもよい。Ｃｒ層またはＴａ／Ｃｒ多層などのキャッピング層１１８は、バイアス層１１５上に堆積される。また、キャッピング層１１８の上部層、例えばＣｒは、センサの製造中に、化学機械研磨（ＣＭＰ）停止層としての役目を果たす。バイアス層１１５は、ＡＢＳに略平行な磁化１１７を有し、したがって自由層１１０の磁化１１１に長手方向にバイアスをかける。したがって、外部磁界がない状態で、バイアス層１１５の磁化１１７は、自由層１１０の磁化１１１と平行である。強磁性バイアス層１１５は、反強磁性層に交換結合される硬質磁性バイアス層または強磁性層であってもよい。シールド層Ｓ２用の、ＮｉＦｅ層などのシード層１０１は、センサ１００およびキャッピング層１１８の上に位置してもよい。
【００２３】
対象の範囲となる外部磁界、すなわちディスク上の記録されたデータからの磁界が存在する状態において、自由層１１０の磁化方向１１１は回転し、一方で基準層１２０の磁化方向１２１は、固定されたままで回転しない。したがって、センス電流Ｉｓが、上部の磁気シールドＳ２からセンサスタックを垂直に通って底部の磁気シールドＳ１に（またはＳ１からＳ２に）印加された場合に、ディスク上の記録されたデータからの磁界は、基準層磁化１２１に対して自由層磁化１１１の回転を引き起こし、それは、電気抵抗における変化として検出可能である。
【００２４】
しかしながら、センス電流ＩＳが、ある臨界電流（ＩＣ）より大きい場合に、スピントルク（ＳＴ）効果は、自由層磁化の旋回または変動が生じて、センサの信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を望ましくないレベルまで低減する、かなりの低周波磁気ノイズが生じる可能性がある。
【００２５】
スピントルク発振器（ＳＴＯ）センサと呼ばれる、ＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサに基づいた代替センサは、Ｉｃより大きい電流で動作し、故意にＳＴ効果を誘起し、したがって自由層に作用する、ＳＴによって誘起された力を利用する。Ｉｃより高い電流が、このタイプのＳＴＯセンサを通して導かれる場合に、自由層の磁化は、ＳＴ効果によって歳差運動または発振する。この歳差運動の周波数（発振周波数）は、外部磁界の印加でシフトし、これらの周波数シフトは、外部磁界における変化を検出するために用いることができる。したがって、ＳＴＯセンサは、例えば本出願と同一の譲受人に譲渡された特許文献１、および特許文献２に説明されているように従来のＣＰＰ−ＧＭＲおよびＣＰＰ−ＴＭＲ読み取りヘッドに取って代わるために、磁気記録ディスクドライブにおける読み取りヘッドとして使用するように提案されている。
【００２６】
高ＳＮＲ信号復調は、バックグラウンドを超える高いＳＴＯ出力電力および低い発振器位相ノイズの両方を必要とし、この低い発振器位相ノイズは、発振器の周波数応答における狭いスペクトル線幅によって特徴付けられる。本発明において、発振自由層の固有の磁気減衰が増加される。周知のランダウ−リフシッツ−ギルバート−スロンチェスキー方程式は、有効磁界Ｈｅｆｆ、および電流Ｉを用いて励起される減衰を備えた固体における磁化Ｍの歳差運動を説明している。
【数１】
パラメータαは、ギルバート減衰定数またはパラメータで、無次元係数であり、固体に依存するものである。γは、電子の磁気回転比であり、ｅは、電子電荷であり、ｈは、換算プランク定数であり、ＭｓおよびＶは、それぞれ、発振磁石の飽和磁化および体積であり、Ｍｆｉｘｅｄは、基準層の磁化方向であり、ｇ（θ）は、自由層および基準層モーメント間の角度に対するスピントルクの依存を説明する関数である。
【００２７】
本発明では、発振自由層の磁気減衰の増加によって、ＳＴＯにおける発振を励起するために必要な臨界電流Ｉｃが増加し、したがって、磁界検出および高周波ＲＦ電子機器の両方における用途に重要である出力信号強度を改善する。より重要なことに、シミュレーションは、次のことを示している。すなわち、従来の強磁性共振に反して、ＳＴにより生成された大きい歳差運動角度の発振に関して、減衰の増加は、発振器の歳差運動角度の熱的に駆動された変動によって誘起される位相ノイズ、つまり発振器のスペクトル応答の線幅を拡大する主要なメカニズムである位相ノイズを低減することができる。これらの結果を達成するために、本発明によるＳＴＯは、好ましくは０．０５より大きい、比較的高いギルバート減衰パラメータを備えた自由層を有する。
【００２８】
図５は、本発明の第１の実施形態によるＳＴＯセンサ２００を用いる磁界検出システムの概略図である。システムは、ＳＴＯセンサ２００を備えた磁気記録ディスクドライブとして示され、そのＡＢＳは、ディスク２５０に面している。センサ２００は、ＣＰＰセンサ１００に関して前に説明したようにＣＰＰ−ＧＭＲまたはＣＰＰ−ＴＭＲセンサの個別層のスタックを含む。ディスク２５０は、基板２５２と、ＡＢＳの方へかまたはＡＢＳから離れるように向けられた矢印によって示された磁化領域を備えた磁気記録媒体として働く記録層２５４とを有する。ディスクが回転するにつれて、磁化領域は、センサ２００を過ぎて矢印２１５の方向に移動する。記録層２５４は、記録層２５４の平面に垂直に磁化された領域を備えた垂直磁気記録媒体として示されているが、しかし代替として、それは、記録層２５４の平面に磁化された領域を備えた長手磁気記録媒体であってもよい。ＳＴＯセンサ２００は、層セットの堆積用の基板として働き得る第１のシールド層Ｓ１と、第２のシールド層Ｓ２と、外部磁界が存在する状態で自由に発振して検出される実質的な面内磁化２１１を有する単一の自由強磁性層２１０とを有する。自由層２１０は、ＧＭＲ構造の一部を形成し、非磁性導電スペーサ層２３０と、固定された面内磁化２２１を有する基準層２２０とを備える。基準層２２０は、ＡＰピン止め構造の単一のピン止め層またはＡＰ２層であってもよい。非強磁性導電金属「遮断」層２２５が、Ｓ１と第１の基準層２２０との間に位置して、Ｓ１と基準層２２０またはセンサスタックにおける他の強磁性層との間のどんな磁気交換相互作用も遮断する一方で、電気伝導を可能にする。同様に、非強磁性導電金属「遮断」層２６５が、Ｓ２と自由層２１０との間に位置する。層２２５、２６５用の典型的な材料は、Ｃｕ、Ａｇ、ＴａおよびＲｕである。スタックにおけるセンサ層の順序は、図５に示すものから逆にすることができ、自由層２１０が、Ｓ１上の層２６５上に最初に堆積され、導電スペーサ層２３０、基準層２２０および層２２５が続き、Ｓ２が層２２５上に位置する。また、ＳＴＯセンサ２００は、ＧＭＲセンサではなくＴＭＲセンサに基づいたセンサであってもよく、その場合に非磁性導電スペーサ層２３０は、絶縁トンネル障壁層によって取って代わられることになろう。
【００２９】
ＳＴＯセンサ２００は、励起電流Ｉｅ源３１０を含む電気回路への接続のための電気接点または端子３０１、３０２を有する。図５では図解を楽にするために、端子３０１、３０２は、それらのそれぞれの層に直接接続されているように示されているが、端子３０１、３０２は、図２に示すように、スライダ２２の後面２５における端子パッド２９によって、スライダの後面に位置することになるだろう。センサは、ＡＢＳから奥まった位置になる後部領域に、層を互いに電気的に絶縁するための絶縁材料２９０を含む。
【００３０】
ＳＴＯセンサ２００に接続された電気回路は、層スタックを通して端子３０１、３０２間に直流（ＤＣ）励起電流Ｉｅを供給する定電流源３１０と、検出器３５０とを含む。励起電流は、ＧＭＲ構造用の臨界電流Ｉｃより大きく、かつ外部磁界がない状態において固定されたベース周波数で自由層２１０の磁化２１１を発振させるための十分な電流密度を提供するように十分に高い。検出器３５０は、前記電気回路に結合され、かつ記録層２５４の磁化領域からの外部磁界に応じて、自由層磁化２１１の発振周波数における、ベース周波数からのシフトを検出する。電流源３１０は、代わりに、交流（ＡＣ）励起電流またはＤＣバイアスを備えたＡＣ励起電流を印加してもよい。これによって、文献、例えば、非特許文献１および特許文献４で周知のように、位相検出による磁界の関連する引き込み（pulling）および検出と共に、固定駆動周波数への発振器の周波数ロッキングが可能になる。
【００３１】
本発明の第１の実施形態において、自由層２１０は、従来のＣＰＰセンサ用に用いられる材料のような任意のタイプの強磁性体であるが、しかしその磁気減衰を増加させるためのドーパントまたは不純物として、１つまたは複数の減衰元素を含む。減衰元素は、１５のランタニド元素ならびに白金（Ｐｔ）およびパラジウム（Ｐｄ）からなる群から選択される。ランタニドは、ランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、プラセオジム（Ｐｒ）、ネオジム（Ｎｄ）、プロメチウム（Ｐｍ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユウロピウム（Ｅｕ）、ガドリニウム（Ｇｄ）、テルビウム（Ｔｂ）、ジスプロシウム（Ｄｙ）、ホルミウム（Ｈｏ）、エルビウム（Ｅｒ）、ツリウム（Ｔｍ）、イッテルビウム（Ｙｂ）およびルテチウム（Ｌｕ）である。ＰｔおよびＰｄは、非特許文献２によって説明されているように、強いスピン軌道結合を備えた重元素である。不純物の量は、自由層組成の約１〜５原子パーセントの範囲であるのが好ましい。例えば、自由層２１０は、組成（Ｃｏ５０Ｆｅ５０）１００−ｙＸｙを有してもよく、ここでｙは、約１〜５であり、Ｘは、選択された元素の１つまたは複数を表す。磁気減衰パラメータは、少なくとも０．０５、好ましくは０．０５を超えるべきである。例えば、ＣｏＦｅ強磁性材料は、０．０１〜０．０３の固有磁気減衰パラメータを有してもよいが、しかし約１〜５原子パーセントの量でＤｙの追加を伴ってもよく、磁気減衰パラメータは、０．０５〜０．１５のどこかに増加される。
【００３２】
図６は、本発明の第２の実施形態によるＳＴＯセンサ２００を用いる磁界検出システムの概略図である。図６の実施形態は、自由層２１０がドープされないが、しかし減衰層２１２によって磁気的に減衰される点を除いて、図５の実施形態と同様である。減衰層２１２は、スペーサ層２３０に隣接する自由層２１０の側と反対側の自由層２１０の側に接触している。図６における減衰層２１２は、ＰｔＭｎ、ＮｉＭｎ、ＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＩｒＭｎＣｒ、ＰｄＭｎ、ＰｔＰｄＭｎおよびＲｈＭｎ合金などのＭｎ合金のような反強磁性材料で形成してもよい。例えば、自由層２１０が、約０．０１５の固有磁気減衰パラメータを備えたＣｏＦｅ強磁性材料である場合に、ＩｒＭｎで形成された６〜８ｎｍ厚の反強磁性減衰層２１２の追加によって、磁気減衰パラメータは、約０．１に増加される（非特許文献３を参照されたい）。反強磁性減衰層２１２に対する変更点として、二重層減衰層を、自由層２１０と反強磁性減衰層２１２との間で、反強磁性層およびＣｕまたはＡｇなどの非磁性金属導電分離層で形成してもよい。分離層は、約０．１〜３ｎｍの厚さを有してもよい。
【００３３】
特許文献５は、図５および図６について上述したような、自由層を減衰するための手段を備えたＳＴＯを記載している。しかしながら、この参考文献は、過度の値の電流密度（約１０７Ａ／ｃｍ２以上）を回避するために、自由層の比較的穏やかな減衰（０．０１〜０．０５のギルバート減衰パラメータ）を対象としている。対照的に、本発明において、少なくとも２つの理由で、この範囲の減衰を超えることが望ましい。第１に、ＳＴＯの信号電力は、励起電流の平方にほぼ比例するので、発振を励起するために、はるかに高い電流密度（＞１０７Ａ／ｃｍ２）使用できるように、減衰を増加させることには著しい利点がある。第２に、０．０５のギルバートパラメータを超えて減衰を増加させることによって、自由層モーメントの歳差運動軌道への摂動がより少なくなることが発見された。これにより、より少ない位相ノイズとなるとともに、ＳＴＯのスペクトル純度における改善がなされる。すなわち、信号が、周波数空間において測定される場合に、より狭い線幅を備えたスパイクが得られる。
【００３４】
図６に示す本発明の第２の実施形態に関して、反強磁性減衰層の代替は、Ｐｔ、Ｐｄおよび、上述した複数のランタニドから選択された元素の１つまたは複数で形成された減衰層２１２である。例えば、自由層２１０が、０．０１５の固有磁気減衰パラメータを備えたＣｏＦｅ強磁性材料である場合に、Ｄｙで形成された１ｎｍ厚の減衰層２１２の追加によって、磁気減衰パラメータは約０．０５に増加される（非特許文献４を参照されたい）。
【００３５】
図７は、磁界検出システムの概略図であり、ここで、磁界検出システムは、ＳＴＯセンサ２００（図５および６）と異なるＳＴＯセンサ４００を用いるが、ＳＴＯセンサ２００に関連して上記したような自由層を減衰するための手段を備えるものである。ＳＴＯセンサは、基準層を用いないが、しかし非磁性導電逆平行結合（ＡＰＣ）層４６０によって分離された２つの逆平行結合自由強磁性層４５０、４５４を有する。図７に示すセンサのようなＳＴＯセンサが、２００９年１２月１１日出願で、本出願と同一の譲受人に譲渡された特許文献３に説明されている。自由強磁性層４５０、４５４は、実質的な面内磁化４５１、４５５をそれぞれ有するが、しかし磁化４５１、４５５は、励起電流がない状態でほぼ逆平行に配向される。磁化４５１、４５５は、外部磁界が存在する状態で自由に発振して検出される。ＡＰＣ層４６０は、薄くて典型的には約０．２〜３ｎｍであり、２つの自由層４５０、４５４を強く逆平行結合する。ＡＰＣ層４６０は、Ｒｕ、Ｃｕ、Ｉｒなどの材料または逆平行結合を提供できる他の適切な非磁性導電材料で形成してもよく、かつ偏極の（スピン軌道散乱から生じ得るような）十分に低いスピン散乱を有するべきである。自由層４５０、４５４は、ＣｏＦｅ、Ｃｏ、ＮｉＦｅなどの磁性材料もしくはこれらの材料の組み合わせ、または当該技術分野において周知の、ＧＭＲおよびＴＭＲ磁気抵抗センサ用に用いられる任意の他の適切な自由層材料で形成してもよい。この反強磁性的に結合されたシステムを達成するために、自由層の１つは、もう一方の自由層より大きい磁気モーメントを有することが望ましい。磁気モーメントは、磁気層の物理的厚さに、層を構成する材料の飽和磁化を掛けた積として定義することができる。例として、自由層４５０、４５４は、同一または同様の磁性材料で形成することができ、一方の層４５０は、約４ｎｍの物理的厚さを有し、もう一方の層４５４は、約２ｎｍの物理的厚さを有することができる。
【００３６】
電流源３１０から層スタックを通る励起電流は、ＳＴ効果の結果として、磁化４５１、４５４に発振させる。ＳＴによって誘起された発振は、前述のように磁界に応じて変化する周波数で、歳差運動または円錐式に移動し、検出器３５０によって検出される。磁化４５１、４５５が、逆平行結合された場合に、それらは、ＡＰＣ層４６０と平行な平面上にもたらされる両層のモーメントが、互いに対してはさみ状（scissor like motion）の運動を維持するような方式で発振する。したがって、この発振中に、磁化４５１、４５５は、互いに逆平行に、および逆平行でないように運動する。これは、外部磁界に応じる周波数を有するセンサスタック全体にわたって抵抗の変化を引き起こす。両方の自由層の磁化が移動する上記のはさみ状運動は、自由層磁化運動が大きく、かつピン止め層磁化がほぼ静止している図５のセンサのような前述のＳＴＯセンサの運動とは異なる。
【００３７】
本発明において、図７のＳＴＯセンサには、図５および６の実施形態に関連して上記した技術のいずれか１つを用いて、一方または両方の自由層４５０、４５４の磁気減衰を増加させるための手段が含まれる。したがって、自由層４５０、４５４の一方または両方は、Ｐｔ、Ｐｄおよび上述した複数のランタニドから選択された１つまたは複数の元素でドープしてもよい。自由層４５０、４５４の一方または両方は、反強磁性減衰層、または反強磁性層および分離層の二重層によって磁気的に減衰してもよく、反強磁性減衰層または二重層は、ＡＰＣ層４６０に隣接する側とは反対の自由層側に位置している。自由層４５０、４５４の一方または両方は、Ｐｔ、Ｐｄおよびランタニドから選択された元素の１つまたは複数によって形成された減衰層によって磁気的に減衰もよく、減衰層は、ＡＰＣ層４６０に隣接する側とは反対の自由層側に位置している。
【００３８】
図５のセンサのように、図７の磁気的に減衰されたＳＴＯセンサにおいて、２つの自由層の発振を励起するために高電流密度（＞１０７Ａ／ｃｍ２）を使用できることを保証するために、自由層の少なくとも１つにおけるギルバート減衰パラメータが、０．０５より大きいことが好ましい。しかしながら、図７のＳＴＯセンサにおいて、両方の自由層のギルバート減衰パラメータが、０．０５未満であり、かつそれでも高い信号出力電力を供給するのに十分な高電流を結果としてもたらすことが可能である。
【００３９】
前述のように、本発明は、減衰の増加が、発振器の歳差運動角度の熱的に駆動された変動によって誘起される位相ノイズ、すなわち発振器のスペクトル応答の線幅を拡大する主要なメカニズムである位相ノイズを低減できるという発見に部分的に基づいている。線幅拡大に寄与する位相ノイズの２つの発生源があり、それらの両方とも熱変動から生じる。これらは、スピンの運動に沿った、およびスピンの運動に垂直な変動、すなわち「速度ノイズ」および「角度ノイズ」である。速度ノイズの値は、比較的低く計算されてきたため、角度ノイズが、位相ノイズを支配すると予想される。熱変動によって引き起こされる自由層の歳差運動角度θの半値全幅（ＦＷＨＭ）分布は、Δθである。Δθに対する温度および減衰の効果が、シミュレーションモデリングから計算され、図８に示されている。図８の結果は、自由層減衰の増加が、歳差運動角度における熱的に駆動された変動を低減する点で効果を有し、それによって発振器の位相ノイズを減少させ得ることを示している。
【００４０】
前述のように、磁界センサ、特に磁気記録ディスクドライブ読み取りヘッドとしての用途を用いて、本発明によるＳＴＯを詳細に説明したが、本発明は他の用途を有する。ＳＴＯの他の用途には、それらの全てが、自由層発振の周波数または位相検出するために高信号出力から利益を得られるであろうが、ミキサ、ラジオ、携帯電話およびレーダ（車両レーダを含む）が含まれる。例えば、非特許文献５を参照されたい。
【００４１】
さらに別の用途は、磁気記録ディスクドライブなど、磁気記録における高周波数アシスト書き込み用である。マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ）とも呼ばれるこの技術において、ＳＴＯは、高周波発振磁界を、従来の書き込みヘッドからの書き込み磁界への補助磁界として、記録層の磁気粒子に印加する。補助磁界は、記録層における磁気粒子の共振周波数に近い周波数を有して、他の場合で、アシストされた記録なしで可能であると考えられるよりも低い従来の書き込みヘッドからの書き込み磁界で、粒子の磁化の切り替えを容易にし得る。ＭＡＭＲシステムの一タイプにおいて、ＧＭＲまたはＴＭＲのいずれかに基づいたＳＴＯは、層の平面に垂直に配向された基準層の磁化、および励起電流がない状態で層の平面に垂直に配向された自由層の磁化で動作する。例えば、非特許文献６を参照されたい。したがって、図５に示すＳＴＯように、本発明によるＳＴＯが、ＭＡＭＲ用のＳＴＯとして用いられる場合に、基準層２２０の磁化は、層の平面に垂直に配向され、自由層２１０の磁化２１１もまた、励起電流Ｉｅがない状態で、層の平面に垂直に配向されることになろう。
【００４２】
好ましい実施形態に関連して本発明を特に図示し説明したが、形態および詳細における様々な変更が、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに行い得ることを当業者は理解されよう。したがって、開示した発明は、単に実例であり、添付の特許請求の範囲において規定される範囲でのみ限定されると考えるべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１２ 磁気記録ディスク
１３ 回転中心
１４ アクチュエータ
１５ 方向
１６ ハウジングまたはベース
１７ 軸
１８ アクチュエータアーム
２０ サスペンション
２２ スライダ
２３ 曲げ部
２４ 読み取り／書き込みヘッド
２５ 後面
２７ 空気ベアリング面（ＡＢＳ）
２９ 端子パッド
５０ データトラック
１００ センサまたは読み取りヘッド
１０１ シード層
１０２ 側端
１０４ 側端
１１０ 自由強磁性層
１１１ 磁化方向
１１２ キャッピング層
１１４ シード層
１１５ 強磁性バイアス層
１１６ 絶縁層
１１７ 磁化
１１８ キャッピング層
１２０ 基準層
１２１ 磁化方向
１２２ より低い強磁性層
１２３ 非磁性逆平行結合（ＡＰＣ）層
１２４ 反強磁性層
１２５ シード層
１２７ 磁化方向
１３０ 非磁性スペーサ層
２００ ＳＴＯセンサ
２１０ 自由強磁性層
２１１ 面内磁化
２１２ 反強磁性減衰層
２１５ 矢印
２２０ 基準層
２２１ 固定面内磁化
２２５ 非強磁性導電金属遮断層
２３０ 非磁性導電スペーサ層
２５０ ディスク
２５２ 基板
２５４ 記録層
２６５ 非強磁性導電金属遮断層
２９０ 絶縁材料
３０１ 端子
３０２ 端子
３１０ 励起電流源
３５０ 検出器
４００ ＳＴＯセンサ
４５０ 逆平行結合自由強磁性層
４５１ 面内磁化
４５４ 逆平行結合自由強磁性層
４５５ 面内磁化
４６０ 非磁性導電逆平行結合（ＡＰＣ）層
Ｓ１ 磁気シールド層
Ｓ２ 磁気シールド層
ＴＷ トラック幅
ＷＰ 書き込み磁極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の層セットと、
を備え、
前記層セットが、
０．０５より大きい減衰パラメータを有する減衰自由強磁性層であって、当該減衰自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する減衰自由強磁性層と、
固定磁化を有する強磁性基準層と、
前記減衰自由強磁性層と前記強磁性基準層との間でそれらに接触する非磁性スペーサ層と、
を含む、スピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項２】
前記減衰自由強磁性層が、強磁性合金、ならびにＰｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択されるドーパント元素を含む、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項３】
前記減衰自由強磁性層が、強磁性合金層および反強磁性減衰層を含み、前記強磁性合金層が、前記非磁性スペーサ層と前記反強磁性減衰層との間に位置し、前記反強磁性減衰層がＭｎ合金を含む、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項４】
前記強磁性合金層と前記反強磁性減衰層との間に金属導電分離層をさらに含む、請求項３に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項５】
前記減衰自由強磁性層が、強磁性合金層と、前記強磁性合金層と接触しかつＰｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素から実質的になる減衰層とを含み、前記強磁性合金層が、前記非磁性スペーサ層と前記減衰層との間に位置する、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項６】
前記強磁性基準層の磁化が、前記層の平面にほぼ垂直に配向される、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項７】
前記強磁性基準層の磁化が、前記層の平面にほぼ配向される、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項８】
前記減衰自由強磁性層の磁化方向が、励起電流がない状態で、前記強磁性基準層の磁化方向にほぼ逆平行である、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項９】
前記非磁性スペーサ層が、導電スペーサ層である、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１０】
前記非磁性スペーサ層が、絶縁トンネル障壁層である、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１１】
前記層セットに接続され、前記非磁性スペーサ層を通して励起電流を供給するための電気回路をさらに含み、
前記励起電流が、直流電流（ＤＣ）および交流電流（ＡＣ）から選択され、かつ前記減衰自由強磁性層の磁化を発振させるために十分な電流密度を有する、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１２】
前記電気回路が、１０７Ａ／ｃｍ２より大きい励起電流密度を供給する、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１３】
基板と、
前記基板上の層セットと、
を備え、
前記層セットが、
自由強磁性層であって、当該自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する自由強磁性層と、
固定磁化を有する強磁性基準層と、
前記自由強磁性層と前記強磁性基準層との間でそれらに接触する非磁性スペーサ層と、
前記自由強磁性層の磁気減衰を増加させるための減衰層であって、前記非磁性スペーサ層と接触する側と反対の前記自由強磁性層の側で前記自由強磁性層に接触する減衰層と、
を含み、
前記減衰層が、
（ａ）Ｐｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素から実質的になる層、ならびに
（ｂ）前記自由強磁性層と接触する金属導電層、および前記金属導電層と接触する反強磁性層の二重層
の１つから選択され、
前記反強磁性層がＭｎ合金を含む、スピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１４】
前記自由強磁性層が、０．０５より大きい減衰パラメータを有する、請求項１３に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１５】
基板と、
前記基板上の層セットと、
を備え、
前記層セットが、
第１の自由強磁性層であって、当該第１の自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する第１の自由強磁性層と、
第２の自由強磁性層であって、当該第２の自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する第２の自由強磁性層と、
前記第１および第２の自由強磁性層間の非磁性導電逆平行結合層であって、前記第１および第２の自由強磁性層が、励起電流がない状態で、ほぼ逆平行の磁化方向を有する非磁性導電逆平行結合層と、
前記第１および第２の自由強磁性層のうちの少なくとも１つの自由強磁性層の磁気減衰を増加させるための手段と、
を含む、スピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの自由強磁性層の前記磁気減衰を増加させるための前記手段が、前記第１および第２の自由強磁性層の少なくとも１つの自由層にドーパントを含み、
前記ドーパントが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される、請求項１５に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの自由強磁性層の前記磁気減衰を増加させるための前記手段が、前記非磁性導電逆平行結合層に面する側と反対の前記少なくとも１つの自由強磁性層の側で前記少なくとも１つの自由強磁性層と接触する減衰層を含む、請求項１５に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１８】
前記減衰層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素から実質的になる層を含む、請求項１７に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１９】
前記減衰層が、Ｍｎ合金を含む反強磁性層を備える、請求項１７に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項２０】
前記減衰層が、前記自由層と接触する金属導電層および前記金属導電層と接触する反強磁性層の二重層を備え、前記反強磁性層が、Ｍｎ合金を含む、請求項１７に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項２１】
前記第１および第２の自由強磁性層の少なくとも１つが、０．０５より大きい減衰パラメータを有する、請求項１５に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１】
基板と、
前記基板上の層セットと、
を備え、
前記層セットが、
０．０５より大きい減衰パラメータを有する減衰自由強磁性層であって、当該減衰自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する減衰自由強磁性層と、
固定磁化を有する強磁性基準層と、
前記減衰自由強磁性層と前記強磁性基準層との間でそれらに接触する非磁性スペーサ層と、
を含む、スピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項２】
前記減衰自由強磁性層が、強磁性合金、ならびにＰｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択されるドーパント元素を含む、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項３】
前記減衰自由強磁性層が、強磁性合金層および反強磁性減衰層を含み、前記強磁性合金層が、前記非磁性スペーサ層と前記反強磁性減衰層との間に位置し、前記反強磁性減衰層がＭｎ合金を含む、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項４】
前記強磁性合金層と前記反強磁性減衰層との間に金属導電分離層をさらに含む、請求項３に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項５】
前記減衰自由強磁性層が、強磁性合金層と、前記強磁性合金層と接触しかつＰｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素から実質的になる減衰層とを含み、前記強磁性合金層が、前記非磁性スペーサ層と前記減衰層との間に位置する、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項６】
前記強磁性基準層の磁化が、前記層の平面にほぼ垂直に配向される、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項７】
前記強磁性基準層の磁化が、前記層の平面にほぼ配向される、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項８】
前記減衰自由強磁性層の磁化方向が、励起電流がない状態で、前記強磁性基準層の磁化方向にほぼ逆平行である、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項９】
前記非磁性スペーサ層が、導電スペーサ層である、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１０】
前記非磁性スペーサ層が、絶縁トンネル障壁層である、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１１】
前記層セットに接続され、前記非磁性スペーサ層を通して励起電流を供給するための電気回路をさらに含み、
前記励起電流が、直流電流（ＤＣ）および交流電流（ＡＣ）から選択され、かつ前記減衰自由強磁性層の磁化を発振させるために十分な電流密度を有する、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１２】
前記電気回路が、１０７Ａ／ｃｍ２より大きい励起電流密度を供給する、請求項１に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１３】
基板と、
前記基板上の層セットと、
を備え、
前記層セットが、
自由強磁性層であって、当該自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する自由強磁性層と、
固定磁化を有する強磁性基準層と、
前記自由強磁性層と前記強磁性基準層との間でそれらに接触する非磁性スペーサ層と、
前記自由強磁性層の磁気減衰を増加させるための減衰層であって、前記非磁性スペーサ層と接触する側と反対の前記自由強磁性層の側で前記自由強磁性層に接触する減衰層と、
を含み、
前記減衰層が、
（ａ）Ｐｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素から実質的になる層、ならびに
（ｂ）前記自由強磁性層と接触する金属導電層、および前記金属導電層と接触する反強磁性層の二重層
の１つから選択され、
前記反強磁性層がＭｎ合金を含む、スピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１４】
前記自由強磁性層が、０．０５より大きい減衰パラメータを有する、請求項１３に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１５】
基板と、
前記基板上の層セットと、
を備え、
前記層セットが、
第１の自由強磁性層であって、当該第１の自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する第１の自由強磁性層と、
第２の自由強磁性層であって、当該第２の自由強磁性層の平面を垂直に通る励起電流が存在する状態で発振する磁化を有する第２の自由強磁性層と、
前記第１および第２の自由強磁性層間の非磁性導電逆平行結合層であって、前記第１および第２の自由強磁性層が、励起電流がない状態で、ほぼ逆平行の磁化方向を有する非磁性導電逆平行結合層と、
前記第１および第２の自由強磁性層のうちの少なくとも１つの自由強磁性層の磁気減衰を増加させるための手段と、
を含む、スピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１６】
前記少なくとも１つの自由強磁性層の前記磁気減衰を増加させるための前記手段が、前記第１および第２の自由強磁性層の少なくとも１つの自由層にドーパントを含み、
前記ドーパントが、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される、請求項１５に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１７】
前記少なくとも１つの自由強磁性層の前記磁気減衰を増加させるための前記手段が、前記非磁性導電逆平行結合層に面する側と反対の前記少なくとも１つの自由強磁性層の側で前記少なくとも１つの自由強磁性層と接触する減衰層を含む、請求項１５に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１８】
前記減衰層が、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｈ、ＹｂおよびＬｕからなる群から選択される少なくとも１つの元素から実質的になる層を含む、請求項１７に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項１９】
前記減衰層が、Ｍｎ合金を含む反強磁性層を備える、請求項１７に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項２０】
前記減衰層が、前記自由層と接触する金属導電層および前記金属導電層と接触する反強磁性層の二重層を備え、前記反強磁性層が、Ｍｎ合金を含む、請求項１７に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【請求項２１】
前記第１および第２の自由強磁性層の少なくとも１つが、０．０５より大きい減衰パラメータを有する、請求項１５に記載のスピントルク発振器（ＳＴＯ）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１６８０９（Ｐ２０１３−１６８０９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１５０２０３（Ｐ２０１２−１５０２０３）
【出願日】平成２４年７月４日（２０１２．７．４）
【出願人】（５０３１１６２８０）エイチジーエスティーネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年７月４日（２０１２．７．４）
【出願人】（５０３１１６２８０）エイチジーエスティーネザーランドビーブイ (1,121)
【Ｆターム（参考）】
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