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公開番号2025003936
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-14
出願番号2024096188
出願日2024-06-13
発明の名称トポロジカル絶縁体材料による局所的および非局所的スピン軌道トルク(SOT)書き込みヘッド
出願人国立大学法人東京科学大学,ウェスタンデジタルテクノロジーズインコーポレーテッド
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G11B 5/31 20060101AFI20250106BHJP(情報記憶)
要約【課題】改良されたスピントロニクスデバイスを備える磁気ヘッドを提供する。
【解決手段】磁気媒体ドライブなどの磁気媒体用の局所または非局所SOTスピントロニクスデバイスを備える磁気記録ヘッドで、局所SOTスピントロニクスデバイスを有する磁気記録ヘッドの場合、主磁極と、シールドと、主磁極の上に配置されたバッファ層と、バッファ層の上に配置されたスピンホール層と、スピンホール層の上に配置された中間層と、を有し、バッファ層は所定の材料を含む。非局所SOTスピントロニクスデバイスを備えた磁気記録ヘッド1300の場合、主磁極1302と、シールド1304と、スピンブロッキング層1310と、非磁性層と、スピン軌道トルク(SOT)層1308と、を備え、SOT層は、媒体対向面(MFS)から約20nm～約100nmの距離後退している。SOT層の長さとSOT層の厚さの比は1より大きい。SOT層はBiSbで構成される。
【選択図】図10A
特許請求の範囲【請求項１】
主磁極と、
シールドと、
前記主磁極と前記シールドとの間に配置された局所スピントロニクスデバイスと、を備え、
前記局所スピントロニクスデバイスは、前記主磁極の上に配置されたバッファ層と、前記バッファ層の上に配置されたスピンホール層と、スピンホール層の上に配置された中間層と、を有し、
前記バッファ層は、グループＢ、グループＣ、グループＤ、グループＥ、グループＦ、グループＧ、またはグループＨからなる群から選択される材料を含み、
グループＢは、面心立方（ＦＣＣ：Face Centered Cubic）酸化物材料で構成され、
グループＣは、成膜条件によってはアモルファスからナノ結晶の薄膜として成膜でき、抵抗率が１００μΩ・ｃｍを超える材料で構成され、
グループＤは、Ｆｅ
２
ＶＡｌ、Ｃｒ
２
ＣｏＡｌ、ＣｏＴｉＳｂ、Ｍｎ
２
ＶＳｉ、Ｖ
２
Ａｌ、［Ｍｎ
０．５
Ｃｏ
０．５
］
２
ＶＡｌ、［Ｍｎ
０．７５
Ｃｏ
０．２５
］
２
ＶＳｉ、ＣｏＭｎＮｂＡｌ、ＣｏＺｒＦｅＡｌ、Ｔｉ
２
ＭｎＡｌを含む非磁性ホイスラー材料で構成され、
グループＥは、スピン分極が大きくスピンホール層と混ざりにくい磁性合金またはホイスラー合金を用いた結晶性の高スピン分極層で構成され、
グループＦは、強い（０１２）ＢｉＳｂＸテクスチャまたは成長を促進しないアモルファスの非磁性で高抵抗の電気的シャントブロック層で構成され、
グループＧは、２．１９Ａ～２．０２Ａのｄ間隔の範囲に最近接Ｘ線回折ピークを有する金属アモルファスまたはセラミックアモルファスの材料で構成され、
グループＨは、アモルファスまたは結晶の材料である高垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）材料で構成され、
前記スピンホール層は、アンドープＢｉＳｂまたはドープされたＢｉＳｂＸ（Ｘは、ドーパントである。）を含み、
前記中間層は、グループＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨからなる群から選択される材料を含む、
磁気ヘッド。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
グループＥは、Ｃｏ
２
ＭｎＳｂ、ＣｏＦｅＸ、ＮｉＦｅＸ（Ｘ＝Ｓｉ、Ａｌ、Ｍｎ、またはＧｅ）、ＣｏＦｅ、ＮｉＦｅ、Ｃｏ
２
ＭｎＧｅ、ＣｏＭｎＳｂ、ＮｉＭｎＳｂ、Ｃｏ
２
ＦｅＧｅ、Ｃｏ
２
ＭｎＳｎ、およびＣｏ
２
ＭｎＦｅＧｅのうちの１つ以上で構成される、
請求項１に記載の磁気ヘッド。
【請求項３】
グループＦは、ＳｉＯ
２
、Ａｌ
２
Ｏ
３
、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＳｉＣｒＯｘ、ＮｉＸ、ＦｅＸ、またはＣｏＸで構成され、Ｘは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎ、Ｒｕ、ＧｅおよびＢのうちの１つ以上である、
請求項１に記載の磁気ヘッド。
【請求項４】
グループＧは、Ｃｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｙ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、またはＢのうちの１つ以上の元素で積層または合金化されている、グループＡ、Ｄ、またはＥからの非磁性材料および磁性材料で構成され、
グループＡは、体心立方（ＢＣＣ：body centered cubic）材料で構成される、
請求項１に記載の磁気ヘッド。
【請求項５】
グループＡが、Ｖ、Ｖ
３
Ａｌ、Ｍｎ
３
Ａｌ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｔａ、ＷＴｉ
５０
、または（１００）テクスチャ層と組み合わせて使用されるＢＣＣ材料で構成され、
請求項４に記載の磁気ヘッド。
【請求項６】
グループＡは、Ｃｒ、ＲｕＡｌ、ＩｒＡｌ、ＣｏＡｌ、ＮｉＡｌ、ＣｒＭｏ、またはＣｒＸで構成され、Ｘは、Ｒｕ、Ｔｉ、ＷおよびＭｏから選択される、
請求項４に記載の磁気ヘッド。
【請求項７】
グループＧは、ａ－Ｇｅ、ａ－ＮｉＰおよびＣｕ、Ａｇ、Ｇｅ、Ａｌ、Ｍｇ、Ｓｉ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｚｒ、Ｙ、Ｂｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ｔｉ、またはＢのうちの１つ以上の元素を含む、強い（０１２）ＢｉＳｂテクスチャを促進するアモルファスまたはナノ結晶の合金で構成される、
請求項１に記載の磁気ヘッド。
【請求項８】
グループＨは、高ＰＭＡを有するアモルファス希土類遷移金属（ＲＥ－ＴＭ）で構成される、
請求項１に記載の磁気ヘッド。
【請求項９】
グループＨは、ＴｂＦｅＣｏ、ＴｂＦｅＢ、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ（Ｆｅ，Ｃｏ）Ｂ、またはＣｏＺｒＴａＢで構成される、
請求項６に記載の磁気ヘッド。
【請求項１０】
グループＨは、
Ｃｏ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｐｄ、ＣｏＦｅ／Ｐｔ、Ｃｏ／Ｔｂ、またはＣｏＦｅ／Ｔｂ（「／」は、多層スタックの層の分離を示す。）の多結晶スタック、または
（０１２）テクスチャ成長のためにスピンホール層の隣りのアモルファスの高スピン分極層を有する、高ＫｕのＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ、ＣｏＦｅＰｔ、およびＦｅＰｔの単層ＰＭＡ材料で構成される、
請求項１に記載の磁気ヘッド。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示の実施形態は、一般に、磁気媒体ドライブまたはハードディスクドライブなどの磁気媒体用のスピントロニクスデバイスを備える磁気記録ヘッドに関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
関連技術の説明
コンピュータの心臓部は、ハードディスクドライブである。ディスクの磁気面に非常に接近して配置された読み取りヘッドおよび書き込みヘッドを通過してディスクが回転すると、ディスクへの情報の書き込みおよびディスクからの情報の読み取りが行われる。マイクロ波アシスト磁気記録（ＭＡＭＲ：Microwave Assisted Magnetic Recording）は、磁気記録媒体の記録密度を向上させるエネルギーアシスト記録技術の一種である。
【０００３】
ＭＡＭＲでは、高周波の交流磁界を発生させるために、スピントロニクスデバイスが書き込み素子の近くに配置される。交流磁界は磁気記録媒体の実効保磁力を低下させ、書き込み極からの書き込み磁界を低くすることができる。低い書き込み磁界のため、ＭＡＭＲによって磁気記録媒体の高い記録密度が達成される可能性がある。より一般的には、スピントロニクス効果に基づく様々なエネルギー補助記録アプローチが検討されており、磁気記録デバイスに使用するための改良されたスピントロニクスデバイスが当技術分野で必要とされている。
【発明の概要】
【０００４】
本開示は、一般に、磁気媒体ドライブなどの磁気媒体用のスピントロニクスデバイスを備える磁気記録ヘッドに関する。
【０００５】
スピントロニクスデバイスは、局所または非局所のスピン軌道トルク（ＳＯＴ：Spin-Orbit Torque）スピントロニクスデバイスである。
【０００６】
局所ＳＯＴスピントロニクスデバイスは、少なくとも１つのスピンホール層と、少なくとも１つのバッファ層と、少なくとも１つの中間層と、を含む。バッファ層は書き込みヘッドの主磁極に近接して配置され、中間層は書き込みヘッドのシールドに近接して配置される。スピンホール層は、バッファ層と中間層との間に配置される。スピントロニクスデバイスは、媒体対向面（ＭＦＳ：Media Facing Surface）に配置されてもよいし、ＭＦＳから離れた位置に配置されてもよい。スピントロニクスデバイスは、主磁極、シールド、またはその両方にスピン流を注入できる。
【０００７】
一つの実施形態では、局所ＳＯＴスピントロニクスデバイスを備えた磁気記録ヘッドは、主磁極と、シールドと、主磁極とシールドとの間に配置されたスピントロニクスデバイスと、を備える。スピントロニクスデバイスは、グループＢ、グループＣ、グループＤ、グループＥ、グループＦ、グループＧ、およびグループＨから選択される材料を含む主磁極の上に配置されたバッファ層と、アンドープＢｉＳｂまたはドープされたＢｉＳｂＸ（Ｘは、ドーパントである。）を含むバッファ層の上に配置されたスピンホール層と、グループＢ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、Ｆ、Ｇ、およびＨから選択される材料を含む、スピンホール層の上に配置された中間層を含む。グループＢは、面心立方（ＦＣＣ：Face Centered Cubic）酸化物材料で構成される。グループＣは、１００μΩ・ｃｍを超える抵抗率を有する、成膜条件によってはアモルファスからナノ結晶の薄膜として成膜可能な材料で構成される。グループＤは、Ｆｅ
２
ＶＡｌ、Ｃｒ
２
ＣｏＡｌ、ＣｏＴｉＳｂ、Ｍｎ
２
ＶＳｉ、Ｖ
２
Ａｌ、［Ｍｎ
０．５
Ｃｏ
０．５
］
２
ＶＡｌ、［Ｍｎ
０．７５
Ｃｏ
０．２５
］
２
ＶＳｉ、ＣｏＭｎＮｂＡｌ、ＣｏＺｒＦｅＡｌ、Ｔｉ
２
ＭｎＡｌを含む非磁性ホイスラー材料で構成される。グループＥは、スピン分極率が大きく、スピンホール層と混ざりにくい磁性合金またはホイスラー合金を用いた結晶性の高分極率層で構成される。グループＦは、強い（０１２）ＢｉＳｂＸのテクスチャまたは成長を促進しないアモルファスの非磁性で高抵抗な電気的シャントブロック層で構成される。グループＧは、２．１９Ａ～２．０２Ａのｄ間隔に最近接Ｘ線回折ピークを有する金属アモルファスまたはセラミックアモルファス材料で構成される。グループＨは、アモルファスまたは結晶材料である高垂直磁気異方性（ＰＭＡ：Perpendicular Magnetic Anisotropy）材料で構成される。
【０００８】
別の実施形態では、局所ＳＯＴスピントロニクスデバイスを備えた磁気ヘッドは、主磁極と、シールドと、主磁極とシールドとの間に配置されたスピントロニクスデバイスと、を備える。スピントロニクスデバイスは、第１のバッファ層と、アンドープＢｉＳｂまたはドープされたＢｉＳｂＸ（Ｘは、ドーパントである。）を含む、バッファ層の上に配置された第１のスピンホール層と、第１のスピンホール層の上に配置された第１の中間層と、第１の中間層の上に配置された絶縁層と、絶縁層の上に配置された第２のバッファ層と、アンドープＢｉＳｂまたはドープされたＢｉＳｂＸ（Ｘは、ドーパントである。）を含む、第２のバッファ層の上に配置された第２のスピンホール層と、第２のスピンホール層の上に配置された第２の中間層を含む。
【０００９】
非局所ＳＯＴスピントロニクスデバイスを備えた磁気記録ヘッドは、媒体対向面（ＭＦＳ）に配置された主磁極と、ＭＦＳに配置されたシールドと、シールドと主磁極との間に配置されたスピンブロッキング層と、主磁極とシールドとの間においてＭＦＳに配置された少なくとも１つの非磁性層と、非磁性層の上に配置され、ＭＦＳから約２０ｎｍ～約１００ｎｍの距離後退している少なくとも１つのスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層と、を備える。少なくとも１つのＳＯＴ層は、ＢｉＳｂを含む。
【００１０】
一つの実施形態では、非局所ＳＯＴスピントロニクスデバイスを備えた磁気記録ヘッドは、媒体対向面（ＭＦＳ）に配置された主磁極と、ＭＦＳに配置されたシールドと、主磁極とシールドとの間においてＭＦＳに配置された非磁性層と、ＭＦＳから約２０ｎｍ～約１００ｎｍの距離後退している、非磁性層の上に配置されたスピン軌道トルク（ＳＯＴ）層と、を備える。
（【００１１】以降は省略されています）

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