JP2015530691A - ＴｉＮ−Ｘ中間層を含む磁気スタック - Google Patents

Abstract

磁気スタックは、基板と、磁気記録層と、基板と磁気記録層との間に配置されるＴｉＮ−Ｘ層とを含む。ＴｉＮ−Ｘ層において、Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ２、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＡｌＮ、およびＡｌ２Ｏ３のうち少なくとも１つを含むドーパントである。

Description

概要
本願明細書において説明される実施形態は、基板と、磁気記録層と、基板と磁気記録層との間に配置されるＴｉＮ−Ｘ層とを含むスタックを伴う。たとえば、ＴｉＮ−Ｘ層において、Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも１つを含むドーパントである。

本願明細書において説明される実施形態に係る磁気スタックを示す断面図である。 本願明細書において説明される実施形態に係る磁気スタックを示す断面図である。 本願明細書において説明される実施形態に係る磁気スタックを示す断面図である。 本願明細書において説明される実施形態に係る磁気スタックを示す断面図である。 ４０体積％ＴｉＯ_ｘドープを伴うＴｉＯＮ中間層についてのＴｉ２ｐスペクトルの高解像度ＸＰＳ分析を示す図であり、Ｉ一酸化物、ＩＩ窒化物、およびＩＩＩ酸窒化物である。 様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ＦｅＰｔ膜のＸＲＤスペクトルを示す図である。 ＴｉＯ_ｘドープの増加を伴うＴｉＯＮ格子定数ａおよびＦｅＰｔ格子定数ｃを示す図である。 異なるＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜のＳＥＭ画像を示す図である。 異なるＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜のＳＥＭ画像を示す図である。 異なるＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜のＳＥＭ画像を示す図である。 ＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘ中間層を伴うＦｅＰｔ膜の高解像度断面ＴＥＭ画像を示す図である。 様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴って５ｎｍＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜の面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上に堆積した一連のＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜を示す図である。 ＴｉＯ_ｘ中間層におけるＴｉＯ_ｘドープの増加に伴ってＦｅＰｔの粒度の減少、粒度の均一性、および粒子の隔離が向上したことを示す平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 図９ａおよび図９ｄの断面ＴＥＭ画像を示す図である。 図９ａおよび図９ｄの断面ＴＥＭ画像を示す図である。 ＴｉＯ_ｘ中間層におけるＴｉＯ_ｘドープの増加に伴ってＦｅＰｔの粒度の減少、粒度の均一性、および粒子の隔離が向上したことを示す平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 図９ａおよび図９ｄの断面ＴＥＭ画像を示す図である。 図９ａおよび図９ｄの断面ＴＥＭ画像を示す図である。 図１０は、ＸＲＤ結果を示す図である。 ２つのサンプルの特徴の類似性を示す図である。 ２つのサンプルの特徴の類似性を示す図である。 異なるＴｉＯ_ｘドープを伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜の面外Ｍ−Ｈループが１３ｋＯｅの高い保磁力を伴う類似の特徴を示すことを示す図である。 面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ４０体積％ＴｉＯ_ｘドープを伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−４５体積％ＳｉＯ_ｘ−２５体積％Ｃ膜の平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 サンプルの断面ＴＥＭ画像を示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜のＸＲＤスペクトルを示す図である。 ＸＲＤから外挿される積分ピーク強度比Ｉ_００１／Ｉ_００２とＦｅＰｔ格子定数ｃとによって推定される化学的規則性を示す図である。 ３０体積％ＺｒＯ_ｘドープを伴うＺｒＴｉＯＮ中間層について、Ｚｒ３ｄ、Ｔｉ２ｐ、およびＮ１ｓスペクトルのそれぞれの高解像度ＸＰＳ分析を示す図である。 ３０体積％ＺｒＯ_ｘドープを伴うＺｒＴｉＯＮ中間層について、Ｚｒ３ｄ、Ｔｉ２ｐ、およびＮ１ｓスペクトルのそれぞれの高解像度ＸＰＳ分析を示す図である。 ３０体積％ＺｒＯ_ｘドープを伴うＺｒＴｉＯＮ中間層について、Ｚｒ３ｄ、Ｔｉ２ｐ、およびＮ１ｓスペクトルのそれぞれの高解像度ＸＰＳ分析を示す図である。 １０ｎｍＦｅＰｔ磁気層を伴わないＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％の平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 １０ｎｍＦｅＰｔ磁気層を伴うＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％の平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 ＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ中間層上で成長した純粋なＦｅＰｔ膜の粒度分布がＺｒＴｉＯＮ中間層の粒度分布と一致したことを示す図である。 ＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ４０体積％／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 ＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ４０体積％／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 ＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ４０体積％／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 ＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ４０体積％／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜の面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 面内および面外保磁力を示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜のＸＲＤスペクトルを示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の平面視のＳＥＭ画像および対応する統計粒度分布を示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の平面視のＳＥＭ画像および対応する統計粒度分布を示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の平面視のＳＥＭ画像および対応する統計粒度分布を示す図である。 様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の平面視のＳＥＭ画像および対応する統計粒度分布を示す図である。 ＴｉＮおよびＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ界面層上のＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５％−Ｃ２０％膜のＸＲＤスペクトルを示す図である。 ＴｉＮおよびＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ界面層上のＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５％−Ｃ２０％膜のＭ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮおよびＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ界面層上のＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５％−Ｃ２０％膜のＭ−Ｈループを示す図である。 ３５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す図である。 ４０％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す図である。 ４５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２５％（Ｃ）のドープ濃度を示す図である。 図２４ａについての断面ＴＥＭ画像を示す図である。 図２４ｂについての断面ＴＥＭ画像を示す図である。 図２４ｃについての断面ＴＥＭ画像を示す図である。 図２４ａについての対応する粒度分布を示す図である。 図２４ｂについての対応する粒度分布を示す図である。 図２４ｃについての対応する粒度分布を示す図である。 ＦｅＰｔの面内および面外保磁力の概要を示す図である。 ３５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す図である。 ４０％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す図である。 ４５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２５％（Ｃ）のドープ濃度を示す図である。 図２８ａについての平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 図２８ｂについての平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 図２８ｃについての平面視のＴＥＭ画像を示す図である。 図２８ａについての対応する粒度分布を示す図である。 図２８ｂについての対応する粒度分布を示す図である。 図２８ｃについての対応する粒度分布を示す図である。 ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ３０体積％上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ３０体積％上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ３０体積％上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループを示す図である。 ＺｒＯ_ｘドープ濃度に対する面内および面外保磁力の依存性を示す図である。

詳細な説明
熱アシスト磁気記録（ＨＡＭＲ）は、記録層において使用される材料の高い結晶磁気異方性によって磁気記録の面密度を拡張する能力を有する。ＨＡＭＲ媒体を形成するために、１つ以上の下層を使用して高異方性磁気記録層の粒度が配向および／または制御され得る。たとえば、ＦｅＰｔを含む記録層について、これらの下層を使用してＦｅＰｔ膜のＬ１０（００１）テクスチャが導入され得る。ＦｅＰｔ（または他の磁気層）の微細構造は、ｃ軸分散および粒度など、磁気層の微細構造を制御する役割を有する直下の下層に依存する。たとえば、下層は以下の性質のうち１つ以上を提供し得る。１）磁気層のエピタキシャル成長に好適な格子構造。２）化学的安定性および拡散隔膜。３）磁気層の粒度および結晶配向を制御するための適切な表面性質。

本願明細書において説明される実施形態は、基板と磁気記録層との間の磁気スタックに配置されるＴｉＮ−Ｘ層の使用を伴う。ＴｉＮ−Ｘ層は、上記で述べた性質のうち少なくとも一部を磁気記録層に提供し得る。磁気層のエピタキシャル成長の配向（たとえば、ＦｅＰｔ（００１）エピタキシャル成長）を促すことに加え、ＴｉＮ−Ｘ層は、磁気記録層の二相粒成長を支持し得る。さらに、ＴｉＮ−Ｘ層は、所定量の熱伝導性を提供し得る、および／またはＴｉＮ−Ｘ層の一方側に配置された磁気層とＴｉＮ−Ｘ層の反対側に配置された層との間の相互拡散を阻止する機能を有し得る。

様々な実施によれば、ＴｉＮ−Ｘ中間層は、ＴｉＮと少なくとも１つのドープ材料Ｘとを含み、Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯ、およびＨｆＯ_２、ＡｌＮならびにＡｌ_２Ｏ_３のうち１つ以上を含む。一部の場合において、ドーパントＸは、２９８Ｋでの対応する金属窒化物の形成の熱がＴｉＮのための３３８ｋＪ／ｇ原子金属よりも小さくない材料であり得る。一部の実施形態において、ＴｉＮ−Ｘ層は、ＣｒＲｕおよびＭｇＯのうち１つ以上を含む軟磁性下地層と協働して使用される。

図１ａは、ＴｉＮ−Ｘ層１１０を含む磁気スタック１００を示す図である。ＴｉＮ−Ｘ層は、スタック１００において、磁気記録層１２０の下にある。図１に示されるように、ＴｉＮ−Ｘ層は、基板１０１と磁気記録層１２０との間に配置される。保護オーバーコートもしくは潤滑剤層１５０は、磁気記録層１２０上に配置され得る。磁気記録層１２０は、二相粒層である。磁気記録層１２０の第１相は、磁性粒子１２１を含み、第２相は、磁性粒子１２１の粒界の間に配置された非磁性分離体１２２を含む。非磁性分離体１２２は、Ｃ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＢＮのうち１つ以上、または他の代替的な酸化物、窒化物、ホウ化物、もしくは炭化物材料を含み得る。磁性粒子１２１のための好適な材料は、たとえば、ＦｅＰｔ、ＦｅＸＰｔ合金、ＦｅＸＰｄ合金、Ｃｏ３Ｐｔを含む。これらの任意の材料の様々な組み合わせが磁気層１２０に使用され得るが、本願明細書において提供される例は、磁気記録層材料としてＦｅＰｔに焦点を当てている。一部の構成において、磁気記録層は、ＦｅＰｔの磁性結晶粒子と、結晶粒子間に配置されるＳｉＯ_ｘおよびＣを含む非磁性分離体とを含む。磁気層は、約３５体積％から約４５体積％の量のＳｉＯ_ｘと、約２０体積％の量のＣとを含み得る。

ＴｉＮ−Ｘ層１１０は、ＴｉＮとドーパントＸとを含む。ＴｉＮは、ｆ．ｃ．ｃ格子構造を有する侵入型窒化物セラミックのタイプである。ＴｉＮとＦｅＰｔとの間の格子不整は９．５％であり、これはＭｇＯのものよりも僅かに大きい。ＦｅＰｔ（００１）＜００１＞||ＴｉＮ（１００）＜００１＞||Ｓｉ（１００）＜００１＞の配向関係は、ＦｅＰｔがＴｉＮ上で成長したときに確立され得る。しかしながら、ＦｅＰｔと非ドープＴｉＮとの間の濡れ接触により、分離体材料を用いてＦｅＰｔをドープすることによってＦｅＰｔ粒度を減少させることが難しくなり得る。しかしながら、ＴｉＮがＸでドープされてＴｉＮ−Ｘ層１１０を形成した場合にこの懸念は緩和され得る。ＴｉＮ−Ｘ層１１０は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８を有する二相粒子層を含み得て、Ｘ材料の少なくとも一部がＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８の粒界１１９に配置される。

ＴｉＮ−Ｘ層１１０におけるドーパントＸは、たとえば、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯおよびＨｆＯ_２、ＡｌＮ、ならびにＡｌ_２Ｏ_３のうち１つ以上を含み得る。ＴｉＮ−Ｘ層は、約２ｎｍから約４０ｎｍの範囲の厚さ、または約３０ｎｍ以上の厚さを有し得る。ＴｉＮ−Ｘ層の厚さは、特定の熱設計基準を提供するために選択され得る。ＴｉＮ−Ｘ層の一例として、ＸはＴｉＯ_２であり得て、ＴｉＯ_２は、０より大きく約４０体積％以下の量でＴｉＮ−Ｘ層内に存在する。ＸがＴｉＯ_２である場合、ＴｉＮ−Ｘ層１１０の組成は、ＴｉＯ_０．４５Ｎ_０．５５であり得る。この場合において、磁気記録層は、磁性結晶粒子（図１の要素１２１を参照）を含み得て、磁気層の面における平均直径は約８．５ｎｍ未満である。

ＴｉＮ−Ｘ層におけるドーパントの量は、矢印１９９によって示されるように基板からの距離によって変化し得て、矢印１９９はドーパントの増加する方向を指す。たとえば、Ｘの量は、基板１０１近くの０％から磁気記録層１２０近くの約３０％または４０％へと変化し得る。

ＴｉＮ−Ｘ層の他の例として、ＸはＺｒＯ_２であり得て、ＺｒＯ_２は、０より大きく約３０体積％以下の量でＴｉＮ−Ｘ層に存在する。この例において、磁気記録層は、磁気層の面における平均直径が約６ｎｍ未満である磁性結晶粒子１２１を含み得る。

一部の実施形態において、磁気スタックは、図１ｂに示されるように、ドープＴｉＮ−Ｘ層１１１と非ドープＴｉＮ層１１２とを含み得る。非ドープＴｉＮ層１１２は、下地層２０５とＴｉＮ−Ｘ層１１１との間に配置される。ＴｉＮおよびＴｉＮ−Ｘ層を使用する一部の構成において、ＴｉＮ層は、約２ｎｍの厚さを有し得て、ＴｉＮ−Ｘ層は、約３ｎｍの厚さを有し得る。先に記載したように、ＴｉＮ−Ｘ層１１１は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８を有する二相粒子層を含み得て、Ｘ材料の少なくとも一部は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８の粒界１１９に配置される。

図２ａは、下地層２０５と協働して使用されるＴｉＮ−Ｘ層２１０を含む他の磁気スタック２００を示す。下地層２０５は、複数の別個の材料層を含み得る、および／またはいくつかの機能を行う１つの層を含み得る。たとえば、下地層は、軟磁性下地層またはヒートシンクを提供し得る。下地層は、たとえば、ＭｇＯまたはＣｒＲｕを含み得る。先に説明したように、ＴｉＮ−Ｘ層はＸでドープされ、Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯおよびＨｆＯ_２、ＡｌＮ、ならびにＡｌ_２Ｏ_３のうち１つ以上を含み得る。ＴｉＮ−Ｘ層が下地層２０５と協働して使用される場合、ＴｉＮ−Ｘ層の厚さは約５ｎｍから約１０ｎｍであり得る。

先に説明したように、ＴｉＮ−Ｘ層１１１は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８を有する二相粒子層を含み得て、Ｘ材料の少なくとも一部は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８の粒界１１９に配置される。

ＴｉＮ−Ｘ層におけるドーパントの量は、矢印１９９によって示されるように基板からの距離によって変化し得て、矢印１９９は、ドーパントが増加する方向を指している。たとえば、Ｘの量は、基板１０１近くの０％から磁気記録層１２０近くの約３０％または４０％へ変化し得る。

図２ｂに示されるように、磁気スタック２０１は、先に説明したように非ドープＴｉＮ層および下地層２０５とともに、ドープＴｉＮ−Ｘ層２１１を含み得る。非ドープＴｉＮ層は、下地層２０５とＴｉＮ−Ｘ層との間に配置される。ＴｉＮおよびＴｉＮ−Ｘ層を使用する一部の構成において、ＴｉＮ層は、約２ｎｍの厚さを有し得て、ＴｉＮ−Ｘ層は、約３ｎｍの厚さを有し得る。

ＴｉＮ−Ｘ層２１１は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８を有する二相粒子層を含み得て、Ｘ材料の少なくとも一部は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８の粒界に配置される。

ＴｉＮ−Ｘ層におけるドープにより、粒界１１９に固溶体粒子１１８および非結晶材料が形成される。特定の実施形態において、ＴｉＮ−Ｘ中間層におけるＺｒＯ_ｘドープにより、ＺｒＴｉＯＮ固溶体粒子が形成され、非結晶ＺｒＯ_２が分離される。また、粒子ＴｉＮ−Ｘ中間層２１１は、ＺｒＴｉＯＮ粒子の上部にエピタキシャルに形成されたＦｅＰｔなどの磁気記録層１２０の粒子１２１へ粒状構造を転置させることができ、これにより、磁気記録層の粒度の制御が補助される。

加えて、図２ｂに示される二層ＴｉＮ／ＴｉＮ−Ｘ構造２１２／２１１は、ＨＡＭＲ熱設計の視点から好ましい。磁気記録層１２０（たとえば、ＦｅＰｔＸ）に最適な熱勾配を提供するために、横方向に熱的に隔離された界面層２１１（たとえば、ＺｒＴｉＯＮ：ＺｒＯ_２であり、熱的な隔離はＺｒＯ_２非結晶粒界による）が磁気記録層１２０の直下に設置され得る。この構成において、磁気記録層１２０における熱は、（熱的に伝導する）ＴｉＮ層２１２およびその下方のヒートシンク２０５へ向けて矢印２１６に沿って垂直方向に主に伝導される。ＴｉＮ−Ｘ層２１１は、矢印２１５に沿った横方向の熱伝導に抗する熱抵抗層として部分的に機能し得る。ＴｉＮ−Ｘ層２１１における酸化物１１９の領域は、ＴｉＮと比較した場合に低い熱伝導性を有し、二相ＴｉＮ−Ｘ層２１１は横方向の熱伝導に抗する。横方向に抗するＴｉＮ−Ｘ層２１１は、ヒートシンクまたは他の熱伝導界面層からの再加熱により、磁気記録層１２０における横方向の熱ブルームを減少させる。たとえば、二層構造ＺｒＴｉＯＮ：ＺｒＯ_２／ＴｉＮは、ＺｒＴｉＯＮ：ＺｒＯ_２層を有さないＴｉＮ界面層と比較した場合に優れた熱的性質を提供する。

本願明細書で記載される実施形態によれば、ＴｉＮ−Ｘ層は、複合ターゲットを直流スパッタリングすることにより、または、上昇した基板温度（４００℃以上）でのマグネトロンスパッタリングを用いたＴｉＮとＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯおよびＨｆＯ_２ＡｌＮ、ならびにＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１つとの共堆積により、作られ得る。ドープ濃度は、０から４０体積％へ変化し得る。４０体積％より大きいドーパントが加えられた場合、界面層配向の悪化が起こりやすくなる。３つのＩＶ族要素Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆの窒化物、炭化物、および一酸化物は、類似の化学的および物理的性質を有する異種同形物であり、互いに完全に溶解可能であることから、最終的なＴｉＮ−Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３のうちの少なくとも１つとの固溶体となる。ＴｉＮ−Ｘの（００１）配向のｆｃｃ構造は、ＦｅＰｔ（００１）エピタキシャル成長を可能とするために維持される。ドープによって変化したＴｉＮ−Ｘの表面性質は、よりＦｅＰｔ粒子成長に好ましいものとなり、これ故に粒度の減少を向上させる。ドープに酸素成分がある場合、僅かなＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、および／またはＨｆＯ_２などの酸化物が柱状ＴｉＮ−Ｘ下地層／界面層の粒界に形成され、粒子隔離およびＦｅＰｔ粒子の交換減結合が改善される。

磁気記録媒体における使用のための高磁気結晶異方性を有するＦｅＰｔ合金については、ＦｅＰｔ薄膜の微構造制御が考えられる。熱力学の観点から、磁気記録層の下方にある層の内在的特性、すなわち表面特性および格子構造は、エピタキシャル成長によって作られるＦｅＰｔ薄膜の粒度、テクスチャ、および表面形態などの微構造特性を定める際に、たとえば非磁性体を用いた磁性材料のドープおよび／または堆積パラメータ調節などの外的方法よりも重要な役割を担い得る。しかしながら、下地層に使用される一部の材料は、粒子ＦｅＰｔ薄膜の微構造要件であるエピタキシャル成長（大きな表面エネルギーおよび小さな不整合）およびアイランド成長（小さな表面エネルギーおよび大きな不整合）の間の最適なバランスを実現し得ない。このため、上記の基準を満たすように下地層の特性を内在的に変更することができると有用となり得る。たとえば、ＴｉＮ−Ｘ層の内在的特性を変更することは、ＴｉＮ−Ｘ層のドーパントＸを変更することによって達成され得る。ＸがＴｉＯ_２またはＺｒＯ_２である場合、たとえば、Ｘが変化することにより、それぞれＴｉＯ_ｘＮ_ｙまたはＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙを含むＴｉＮ−Ｘが作られ得る。ｘおよびｙは、ＴｉＮ−Ｘ層を通して一定であり得る、またはＴｉＮ−Ｘ層の少なくとも一部にわたって所定距離にわたって変化し得る。

ＴｉＮは、特にその拡散バリアとしての性能およびその熱伝導性により、Ｌ１_０（００１）ＦｅＰｔエピタキシャル成長のための下地材料として好ましい。ＴｉＮ上で成長したＦｅＰｔ膜は、ＦｅＰｔとの良好な濡れ接触により、面内ヒステリシスループの小さな開放性を示した。しかしながら、ＦｅＰｔ層にドーパントを加えることによってＴｉＮ上に成長したＦｅＰｔ膜の粒度を縮小することは困難であり得る。なぜなら、ＦｅＰｔとＴｉＮとの間の良好な濡れ接触により、粒子ドーパントが拡散され得るためである。また、ＴｉＮとＦｅＰｔとの間における比較的大きな格子不整合は、磁気特性を悪化させ得る格子緩和の原因となり得る。

以下で説明するいくつかの例は、磁気記録層の下方にある界面層として使用される、Ｘ＝ＴｉＯ_２（ＴｉＯ_ｘＮ_ｙ）またはＸ＝ＺｒＯ_２（ＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙ）であるＴｉＮ−Ｘ層を伴う。ＴｉＯ_ｘＮ_ｙまたはＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙ界面層は、ＴｉＮとＴｉＯ_２またはＺｒＯ_２とを共ドープすることによって形成され得る。ＴｉＮの異種同形体である一酸化チタン（ＴｉＯ）および一酸化ジルコニウム（ＺｒＯ）は、ＴｉＮと同じ結晶構造を有するが、小さな表面エネルギーおよび格子定数を有する。相分離を起こす一般的なＦｅＰｔにおけるドープとは異なり、ＴｉＯおよびＺｒＯはＴｉＮに溶解可能である。これ故に、ＴｉＮとＴｉＯまたはＺｒＯとがＴｉＯ_ｘＮまたはＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙ中間層を形成する場合、ベガードの法則（Vegard's law）によれば、ＴｉＯ_ｘＮ_ｙ／ＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙは、ＦｅＰｔのアイランド成長が向上するようにＴｉＮよりも小さい表面エネルギーを示し得る。ＦｅＰｔとの格子不整合は、ＺｒＴｉＯｘＮｙよりもＴｉＯ_ｘＮ_ｙの方が小さくなり得る。ＴｉＯ_ｘＮ_ｙまたはＺｒＴｉＯ_ｘＮ_ｙ界面層の表面エネルギーおよび格子定数などの特性は、ｘ／ｙが変化した場合に変更され得て、異なるドープ材料を用いた最適なＦｅＰｔ膜を実現するための機会が提供される。

ＴｉＮ−Ｘ層の適用のために、図１ａ、図１ｂ、図２ａ、および図２ｂに示されるようないくつかの媒体構造が使用され得る。図１ａに示されるように、ＴｉＮ−Ｘ界面層１１０は、磁気記録層１２０の下方にあり、シリコン／ガラス基板１０１上に直接的に形成される。（００１）配向ｆｃｃＴｉＮ−Ｘ粒子上に成長したＦｅＰｔベースの記録層（たとえば、約１０ｎｍの厚さを有する）は、エピタキシャル成長によって垂直異方性を有し、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＦｅＰｔにおける他のドープの柱状構造によって小さな粒度を有する。ＦｅＰｔ材料は、ＦｅＰｔ粒子を分離する非磁性分離帯を用いてドープされる。ＦｅＰｔ粒度を減少させるために、Ｃ、Ａｇ、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、および／またはＳｉ_３Ｎ_４などの１つ以上のドーパントが使用され得る。一部の場合において、ＴｉＮ−Ｘ層は、ヒートシンク層としての役割も担う。

図２ａは、ＴｉＮ−Ｘ（約５ｎｍから１０ｎｍの厚さ）が磁気記録層１２０の下方にある他の媒体構造を示す。この例において、ＴｉＮ−Ｘ層は、ＣｒＲｕまたはＭｇＯベースの下地層などの下地層上に形成される。この構成におけるＴｉＮ−Ｘ界面層の機能は、下地層２０５とＦｅＰｔ磁気層１２０との間の相互拡散を阻止すること、および／またはＦｅＰｔ記録層の微細構造をさらに微細化することであり得る。

ＴｉＯＮ層およびＺｒＴｉＯＮ層は、１０ｍＴｏｒｒのＡｒ圧力で超高真空チャンバ内の無酸素環境において、ＴｉＮとＴｉＯ_２／ＺｒＯ_２ターゲットをそれぞれ同時スパッタリングすることにより、ＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ガラス基板上に作られた。ＦｅＰｔ成長に関するＴｉＯＮおよびＺｒＴｉＯＮの内在的挙動を調査するために、ＴｉＯＮ層およびＺｒＴｉＯＮ層上に１０ｎｍの純粋なＦｅＰｔ膜のサンプルのグループを成長させ、様々なＴｉＯまたはＺｒＯ_ｘドープが３×１０^−９Ｔｏｒｒの底面圧でマグネトロンスパッタリングによりＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ガラス基板上に堆積された。

ＦｅＰｔ粒度縮小に対するＴｉＯＮ／ＺｒＴｉＯＮ中間層の効果をさらに研究するために、ＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜を有する他の３つのサンプルのグループがＴｉＯＮおよびＺｒＴｉＯＮ中間層上にそれぞれ作られた。ＴｉＮ（３ｎｍ）／ＴｉＯＮ（ＺｒＴｉＯＮ）（２ｎｍ）複合中間層を使用することによる向上した微細構造制御も調査された。スパッタリング時の原位置での基板加熱が使用された。ＣｒＲｕ、ＴｉＯＮ、およびＦｅＰｔの基板温度は、それぞれ２８０℃および４８０℃であった。ＴｉＯＮ／ＺｒＴｉＯＮ中間層の要素組成および化学的状態は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって判定された。すべてのサンプルの結晶学的構造および微細構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、および透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）によって測定された。磁気特性は、５テスラの最大印加磁場を用いて超電導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）により室温で特徴づけがなされた。

この実験におけるＴｉＮおよびＴｉＯ_２の共スパッタリングは、超高真空チャンバにおいてＡｒを処理ガスとして使用して行われた。堆積された膜における酸素の最終状態は、スパッタリング時の酸素の欠乏により、二酸化チタンの形態ではなく一酸化チタンの形態となることが予想された。窒化チタンおよび一酸化チタンは、異種同形体であり、完全に溶解可能である。また、これらは幅広い範囲の組成を有する。結果として、得られる中間層は、ＴｉＮとＴｉＯとの固溶体、すなわちＴｉＯＮ中間層となり得る。図３は、４０体積％のＴｉＯ_ｘドープを伴うＴｉＯＮ中間層についてのＴｉ２ｐスペクトルの高解像度ＸＰＳ分析を示し、Ｉ一酸化物、ＩＩ窒化物、およびＩＩＩ酸窒化物がＴｉ２Ｐ３／２およびＴｉ２ｐ１／２スピン軌道双ピークに現れ、チタンおよび酸素がＴｉＯ_２ではなくＴｉＯとして形成されたことを示す。Ｔｉ２ｐの定量分析は、共スパッタリングされたＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘから得られたＴｉＯＮ中間層がＴｉＯ_０．４５Ｎ_０．５５の化学量を有し、ＸがＴｉＯ_２であり、ＴｉＯ濃度がＴｉＯ_ｘの較正ドープ濃度にかなり近いことを示した。また、ＴｉＯＮ中間層の深さプロファイル分析は、Ｔｉ、Ｏ、およびＮの均一な要素分布を示し、一酸化チタンが表面酸化から生じ得ないことを示している。

すべてのサンプルの結晶構造は、ＸＲＤ測定によって判定された。図４ａは、様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上に成長した１０ＦｅＰｔ膜のＸＲＤスペクトルを示す。ＴｉＯＮ中間層上に成長したすべてのＦｅＰｔ膜は、良好なＬ１_０（００１）テクスチャを示す。ＴｉＯＮ（００２）ピークのみが観察され、他のＴｉ−Ｏ−Ｎ相からのピークは見つからなかった。これは、単一のｆ．ｃ．ｃ格子構造を示唆している。ＴｉＯ_ｘドープの増大に伴う、低い角度へ向けたＦｅＰｔ（００１）ピークの僅かな遷移、および高い角度へ向けたＴｉＯＮ（００２）ピークの僅かな遷移が見られる。図４ｂにプロットされているように、ＴｉＯ_ｘドープの増大に伴うＴｉＯＮ格子定数ａの減少およびＦｅＰｔ格子定数ｃの増加は、ＸＲＤデータに基づいた計算により得られる。これは、ＦｅＰｔ／ＴｉＯＮ格子不整がＴｉＯ_ｘドープの導入によって減少し、Ｌ１_０（００１）ＦｅＰｔエピタキシャル成長が好適になることを暗に示し得る。４０体積％のＴｉＯ_ｘドープでは、ＴｉＯＮの格子定数は４．１４１Åであり、これは純粋なＴｉＮの４．２４２Åよりも小さく、ＦｅＰｔの格子定数ｃは３．６６９Åであった。４０体積％を超えるＴｉＯ_ｘドープは、界面層および記録層の配向の悪化を引き起こしやすい。ｆ．ｃ．ｃＴｉＮおよびｆ．ｃ．ｃＴｉＯの両方はＴｉもしくはＮ（Ｏ）格子箇所における多数の空孔に耐え得ることを知っておくべきである。概して、空孔が増加すると格子定数が減少する。このため、空孔があることにより、ＴｉＯＮ格子定数の減少に寄与し得る。

様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ膜の平面視ＳＥＭ画像が図５ａから図５ｃに示される。図５ａ、図５ｂ、および図５ｃは、０（５ａ）、２０％（５ｂ）、および４０％（５ｃ）のＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜のＳＥＭ画像を示す。純粋なＴｉＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ膜と比較し、ＦｅＰｔがＴｉＯＮ中間層で成長した場合に粒度は減少した。さらに、ＴｉＯ_ｘドープ濃度の増加に伴って粒度は減少する。粒子隔離もまた向上する。チタンの酸化物は、その窒化物と比べて小さな表面エネルギーを有する。結果として、ＴｉＯＮの表面エネルギーは、ＴｉＯ_ｘ成分の増加に伴って減少し、ＦｅＰｔ粒度を縮小することができ、粒子隔離を向上させることができる。これは、ウォリメル−ウェーバー（Volmer-Weber）型（アイランド）成長技術に一致している。ＴｉＮおよびＴｉＯ_ｘの共スパッタリングにより、ＴｉＯＮ層の表面上に欠損が作られ得て、これは核生成箇所としての役割を担い、ＦｅＰｔ粒度の縮小に寄与し得る。

図６は、ＴｉＯＮ層を形成するＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘ層を伴うＦｅＰｔ膜の高解像度断面ＴＥＭ画像を示す。ＴｉＯＮ層は、良好なｆ．ｃ．ｃ結晶度および良好に規定されたＴｉＯＮ／ＦｅＰｔ界面と連続する。高濃度のＴｉＯ_ｘがＴｉＮに対してドープされるが、相分離はＴｉＯＮ中間層において観察されない。このため、ＴｉＯＮ中間層は、ｆ．ｃ．ｃＴｉＮとｆ．ｃ．ｃＴｉＯとの固溶体であり、これは先に説明したＸＰＳおよびＸＲＤ結果に一致する。図６の差し込み図におけるＴｉＯＮおよびＦｅＰｔの制限視野回折（ＳＡＥＤ）パターンは、ＴｉＯＮ（００１）＜２００＞／／ＦｅＰｔ（００１）＜１００＞の良好なエピタキシャル関係を示す。

図７は、様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴って５ｎｍＴｉＯＮ中間層上に成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜の面内および面外Ｍ−Ｈループを示す。差し込み図は、選択されたサンプルについてのＦｅＰｔ（００１）ピークのロッキングカーブを示す。図７は、僅かに減少した直角度（Ｍ_ｒ／Ｍ_ｓ）および保磁力を示し、他の明らかな変化はない。異なるＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴うサンプルのＭ−Ｈループは、ほぼ重複している。面内Ｍ−Ｈループの傾斜変化は、僅かに増加した面内磁化容易軸成分を示し、これはＴｉＯ_ｘドープの増加に伴う磁化容易軸分散の拡大によるものであり、ＴｉＯ_ｘドープに伴うＦｅＰｔ（００１）ωピーク（図７の差し込み図）の半値全幅（ＦＷＨＭ）から分かり得る。ＴｉＯ_ｘドープの増加に伴って変化しない面内ループは、ＴｉＮと同様に、ＴｉＯＮ中間層が大きな面内ヒステリシスからＦｅＰｔ膜を防止し得ることを示し、これは従来のＭｇＯ中間層とは異なる。ここでの結果は、ＴｉＮ中間層へのＴｉＯ_ｘの追加を増大させることはこの例におけるＦｅＰｔの磁気特性を明らかに悪化させるわけではないことを示している。ＦｅＰｔ膜の成長は、ＴｉＯ_ｘドープの増加に伴う表面エネルギーおよび格子不整合の縮小によって向上する。ＴｉＮ−Ｘ中間層へのＴｉＯ_ｘの追加を増加させることは、ＦｅＰｔの磁気特性を著しく変化させなかった。平面視のＳＥＭ画像から、ＦｅＰｔ膜の平均粒度は、ＴｉＮ中間層上で成長した場合の３８．４ｎｍからＴｉＯＮ中間層上で成長した場合の２０．２ｎｍへ著しく減少した。粒子隔離もまた向上した。チタンの酸化物はその窒化物よりも小さい表面エネルギーを有することから、結果として、ＴｉＯＮの表面エネルギーは、ＴｉＯ_ｘ成分の増加に伴って減少した。これは、ＦｅＰｔのウォリメル−ウェーバー型（アイランド）成長に関しては適切であり、ＦｅＰｔ粒度の縮小およびその粒子隔離の向上につながる。加えて、ＴｉＮとＴｉＯ_ｘとの共スパッタリングは、ＴｉＯＮ中間層の表面により多くの欠損を作り得て、これは核生成箇所としての役割を担うとともに、ＦｅＰｔ粒度の縮小に寄与し得る。ＦｅＰｔの微細構造に対するＴｉＯＮ中間層の効果は、ＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜を用いて以下でも説明される。

上記の説明によれば、ＴｉＯＮは、エピタキシャル成長（減少した格子不整合）およびアイランド成長（減少した表面エネルギー）の点からＦｅＰｔのための良好な中間層材料であり得る。非磁性分離体材料を用いたドープは、ＦｅＰｔ薄膜に対して適用され得て、これは他の特徴の中でもＦｅＰｔ粒度を減少させる傾向にある。図８は、様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上に堆積された一連のＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜を示す。純粋なＦｅＰｔ膜のＸＲＤ結果と同様に、図８から分かり得るように、ＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜は、良好なＬ１_０（００１）テクスチャおよび低い角度へ向けた僅かな（００１）ピーク遷移を示した。微細構造についての詳細な調査は、ＴＥＭを介して実施された。

図９ａおよび図９ｄは、平面視のＴＥＭ画像を示し、ＴｉＯ_ｘ中間層におけるＴｉＯ_ｘドープの増加に伴ってＦｅＰｔ粒度、粒度均一性、および粒子隔離が向上したことを示す。ドープＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜は、純粋なＦｅＰｔよりも大きな粒度縮小を示す。ＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜の平均粒度は、純粋なＴｉＮ中間層での１１．１５±３．６６ｎｍからＴｉＮ−ＴｉＯ_ｘ４０体積％中間層での８．４０±１．７４ｎｍへ減少した。図９ｂ、図９ｃ、図９ｅ、および図９ｆは、これらの２つのサンプルの断面ＴＥＭ画像を示す。純粋なＴｉＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ膜は、ＦｅＰｔに対するＴｉＮの良好な湿潤性により、半球粒子形状を示した。図９ｃに付されるように、濡れ角は９０°未満であった。ヤング方程式（Young equation）によれば、これは、ＴｉＮ表面エネルギーがＦｅＰｔ／ＴｉＮ界面エネルギーよりも大きかったことを表わしている。湿潤はエピタキシャル成長に好適であるが、ＦｅＰｔとＴｉＮとの間の緊密接触はドープ材料の拡散を引き起こし、さらなるドープの増加の有効性が弱まった。半球粒子形状は、粒子の相互結合に繋がり、粒子隔離を危うくする。図９ｅおよび図９ｆは、４０体積％ＴｉＯ_ｘを有するＴｉＮを含むＴｉＯＮ中間層の場合を示している。正方形断面を有する実質的に均一なＦｅＰｔ粒子が観察され得る。図９ｆに付される接触角は９０°である。ヤング方程式によれば、この接触角は、ＦｅＰｔ／ＴｉＯＮ界面エネルギーとＴｉＯＮ表面エネルギーとが等しいことを示す。このため、ＴｉＯＮの表面エネルギーはＴｉＮの表面エネルギーよりも小さかった。これ故に、ＦｅＰｔ粒子の分離アイランド成長が向上した。さらに、正方形粒子は良好に隔離され、ドープによる粒度縮小の有効性が促される。ＴｉＯＮ中間層によって得られた正方形ＦｅＰｔ粒子は、同じ厚さおよび同じ粒子直径において、ＴｉＮ（湿潤）によって得られた半球粒子またはＭｇＯ（非湿潤）によって得られた球形粒子よりも大きな体積を有することを知っておくべきである。このため、正方形粒子は、同じ粒子の中心間の間隔について、半球粒子よりも高い熱的安定性を有し得る。超常磁性制限に近いＦｅＰｔ粒度を減少させることが有利となり得る。

ＴｉＯＮ（ＴｉＯ_ｘによってドープされたＴｉＮ）中間層は、１０ｍＴｏｒｒで超高真空チャンバ内の無酸素環境においてＴｉＮとＴｉＯ_２ターゲットとの共スパッタリングによって作られた。ＴｉＮ界面層上およびＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘ界面層上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜を伴う２つのサンプルは、それぞれ３×１０^−９Ｔｏｒｒの底面圧でマグネトロンスパッタリングによってＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ガラス基板上に堆積された。スパッタリング時の原位置の基板加熱が使用された。ＣｒＲｕ、ＴｉＯＮの基板温度は２８０℃であり、ＦｅＰｔの基板温度は４８０℃であった。ＴｉＯＮ中間層の要素組成および化学的状態は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）によって判定された。すべてのサンプルの結晶構造および微細構造は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）、および透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）によって測定された。磁気特性は、５テスラの最大印加磁場を伴う超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）によって室温で特徴付がなされた。

ＸＰＳ Ｔｉ２ｐスペクトルの定量分析は、共スパッタリングされたＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘが最終的にＴｉＯ_０．４５Ｎ_０．５５となったことを示した。また、ＴｉＯＮ中間層の深さプロファイル分析は、表面酸化の可能性を除き、Ｔｉ、Ｏ、およびＮの実質的に均一な要素分布を示した。図１０に示されるＸＲＤ結果から、ＴｉＮおよびＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘ上の両方のＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜が良好なＬ１_０（００１）テクスチャを示した。しかし、ＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘ界面層を有するものは、低い角度へ向けた僅かな（００１）ピーク遷移を示し、これは、格子定数の減少を示し、これ故にＴｉＮ−Ｘ／ＦｅＰｔ（００１）格子不整合の減少も示す。

ＦｅＰｔの粒度縮小、粒度均一性、および粒子隔離は、ＴｉＮ−Ｘ界面層にＴｉＯ_ｘをドープすることで向上した。ドープＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜は、大きな粒度縮小を示した。ＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜の平均粒度は、純粋なＴｉＮ中間層の１１．１５±３．６６ｎｍからＴｉＮ−ＴｉＯ_ｘ４０体積％界面層の５．６５±０．９２ｎｍへ減少した。

また、純粋なＴｉＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ膜は、ＦｅＰｔに対するＴｉＮの良好な湿潤性により、半球粒子形状を示した。濡れ角は９０°より小さかった。興味深いことに、正方形断面形状を有する均一なＦｅＰｔ粒子が、ＴｉＮ−ＴｉＯ_ｘ−４０体積％界面層上のＦｅＰｔ膜の場合において観察された。接触角は９０°であった。ヤング方程式によれば、ＦｅＰｔ／ＴｉＯＮ界面エネルギーとＴｉＯＮ表面エネルギーとが等しいことが示された。このため、ＴｉＯＮの表面エネルギーは、ＴｉＮの表面エネルギーよりも小さく、これ故にＦｅＰｔのアイランド成長が向上した。さらに、正方形粒子は良好に隔離され、ドープによる粒度縮小の有効性が促された。ＴｉＯＮ界面層によって得られた正方形ＦｅＰｔ粒子は、同じ厚さおよび同じ粒子直径において、ＴｉＮ（湿潤）によって得られた半球粒子またはＭｇＯ（非湿潤）によって得られた球形粒子よりも大きな体積を有することを知っておくべきである。このため、正方形粒子は、半球粒子よりもかなり高い熱的安定性を有し得る。これは、超常磁性限界近くまでＦｅＰｔ粒度が減少した場合に本質的に重要となる。

これらの２つのサンプルのループの両方は、図１１ａおよび図１１ｂに示されるように、１７ｋＯｅの高い保磁力を有する、かなり類似した特徴を示した。直角度は、ＴｉＯ_ｘドープを導入することに伴って僅かに増加し、これは、粒度均一性の増加、および小さい磁気飽和を伴う小さい粒子の減少に起因し得る。他の明らかな違いは見られず、これは、ＴｉＮ−Ｘ界面層におけるドープによってＦｅＰｔの磁気特性が悪化しないことを示唆している。

図１２に示されるように、異なるＴｉＯ_ｘドープを伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ−ＳｉＯｘ−Ｃ膜の面外Ｍ−Ｈループのすべてが、１３ｋＯｅの高い保磁力を伴うかなり類似した特徴を示した。ＴｉＯ_ｘドープ濃度の増加に伴って直角度が僅かに増加し、これは、粒度均一性の増加および小さい磁化飽和を伴う小さい粒子の減少に起因し得る。

ＴｉＮとＴｉＯ_ｘとの共ドープによって形成されたＴｉＯＮ層は、純粋なＴｉＮよりも低い結晶化度を有し得て、ｃ軸の整合が悪化する。複合ＴｉＮ（３ｎｍ）／ＴｉＯＮ（４０％、２ｎｍ）中間層もまた調査された。表１に示されるように、異なる中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜の微細構造および磁気特性が比較された。表１は、異なる中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜の、半値全幅（ＦＷＨＭ）ΔΘ５０、面外保磁力Ｈ_ｃ⊥、面内保磁力Ｈ_ｃ‖、直角度Ｓ、平均粒度Ｄ、標準偏差σ（Ｄ）による粒度分布、および保磁力αにおける傾斜の概要を示す。ｃ軸分散は、ＴｉＯＮ中間層を使用することによって６．５０から６．８４へ増加したが、ＴｉＮ／ＴｉＯＮ界面層を使用することによって６．０３へ減少した。

このため、ＴｉＯＮ界面層を使用した場合に、ｃ軸配向の悪化によって、Ｈ_ｃ⊥は著しく減少し、Ｈ_ｃ／／は増加した。ＴｉＮ／ＴｉＯＮ界面層を導入した後、かなり高いＨ_ｃ⊥および良好な垂直異方性が得られた。保磁力における傾斜、すなわちα＝４πｄＭ／ｄＨ|_Ｈｃ≒１は、磁性粒子の交換減結合を示す。表１から、ＴｉＮおよびＴｉＮ／ＴｉＯＮ界面層を使用した場合にＦｅＰｔ膜がほぼ完全に交換減結合されたことが分かる。しかしながら、図９ｆに示されるように、ＴｉＯＮ界面層の場合において、粒子距離の減少によって交換結合が僅かに増加した。ＴｉＮ層をＴｉＯＮ中間層の下に挿入すると、粒度はさらに減少し、粒度均一性はさらに向上した。

表１

薄膜の成長メカニズムの決定には、表面エネルギーの寄与と不整合ひずみの寄与との競合が伴う。先の記載に基づき、ＦｅＰｔアイランドは、ＴｉＯＮ中間層の表面エネルギーおよび格子定数の両方が減少することによる利益を受け得る。格子定数および表面エネルギーなどのＴｉＯＮの特性の変化は、ＴｉＮ：ＴｉＯ_ｘの濃度比率が変化した場合に連続的な線形の変化として見なされるため、ＴｉＮ−Ｘ中間層（ＴｉＮがＴｉＯ_２でドープされた場合にＴｉＯ_ｘＮ_ｙを形成する）は、異なる実験条件下において大きな調節の余地を提供する。

図１３ａは、面内および面外Ｍ−Ｈループを示す。図１３ｂは、平面視のＴＥＭ画像を示す。図１３ｃは、構造ＦｅＰｔ（４ｎｍ）−４５体積％ＳｉＯ_ｘ−２５体積％Ｃ／ＴｉＮ（２ｎｍ）−ＴｉＯ_ｘ４０体積％／ＴｉＮ（３ｎｍ）−ＣｒＲｕ（３６ｎｍ）／ガラスを有するサンプルの断面ＴＥＭ画像を示す。５．６５ｎｍ程度の平均粒度を有する良好に隔離されたＦｅＰｔ粒子が実現された。粒度分布は、±０．９２ｎｍまでであった。加えて、サンプルは、１８ｋＯｅの面外保磁力を有する良好な垂直磁気異方性を示した。

一部の実施形態には、ＺｒＯ_ｘでドープしたＴｉＮ−Ｘ層を伴う。ここで図１４ａを参照すると、様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長した１０ｎｍのＦｅＰｔ膜のＸＲＤスペクトルが示される。ＦｅＰｔ膜は、良好なＬ１_０（００１）テクスチャを示した。ＦｅＰｔ（００１）およびＴｉＮ（００２）ピーク強度は、高いドープレベルでほぼ変化せずに維持された。ＦｅＰｔ（００１）および（００２）ピークは、高い角度へ向けて遷移した。これらの現象は、ＺｒＯｘをＴｉＮにドープしてもＦｅＰｔのエピタキシャル成長およびＴｉＮのＦ．Ｃ．Ｃ構造が悪化しないが、ＴｉＮの格子定数が増加して不整合ひずみの増加を引き起こし得ることを示す。ＦｅＰｔ（００１）ピークの半値全幅（ＦＷＨＭ）は、ＺｒＯ_ｘドープの増加に伴って広がり、ＦｅＰｔ粒度が減少し得ることを示唆する。図１４ｂは、ＸＲＤから外挿された積分ピーク強度比Ｉ_００１／Ｉ_００２およびＦｅＰｔ格子定数ｃから予測される化学的規則性を示す。ＺｒＯ_ｘ濃度の増加に伴い、ＦｅＰｔの格子定数ｃは、化学的規則性が増加した一方で、増加した不整合によって減少した。化学的規則性の向上は、不整合ひずみが増加した結果であり得る。

図１５ａ、図１５ｂ、および図１５ｃは、３０体積％ＺｒＯ_ｘドープを伴うＺｒＴｉＯＮ中間層について、それぞれＺｒ３ｄ、Ｔｉ２ｐ、およびＮ１ｓスペクトルの高解像度ＸＰＳ分析を示す。観察され得るように、ＴｉＯＮと同様に、ＺｒＴｉＯＮ層は、ＺｒＮ、ＺｒＯ_ｘＮ_ｙ、およびＺｒＯ_２の３つの化学組成を含む。

ＸＰＳ Ｔｉ２ｐスペクトルの定性分析は、共スパッタリングされたＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘが主にＴｉＯ、ＴｉＮ、ＴｉＯＮ、ＺｒＮ、およびＺｒＯＮの固溶体を含むことを示した。これは、ＸＲＤ結果に一致した。少ないＺｒＯ_２成分がＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ中間層においても見つかった。２０体積％および３０体積％ＺｒＯ_ｘドープを伴うＺｒＴｉＯＮ中間層の化学量が表２にまとめられている。なお、ＺｒＯ_２成分は、ＺｒＯ_ｘドープが２０体積％から３０体積％に増加した場合に著しく増加し、これは、さらに増加したＺｒＯ_ｘがＺｒＯＮ固溶体を変形させず、非結晶ＺｒＯ_２を形成したことを意味する。ＺｒＯ_２の位置は、粒界に残っていても、表面に拡散しても、ＴＥＭ測定によって確認され得る。

表２ ＸＰＳ分析によるＺｒＴｉＯＮ中間層の化学組成（原子％）

１０ｎｍＦｅＰｔ磁気層のないＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％の平面視のＴＥＭ画像が図１６ａに示される。１０ｎｍＦｅＰｔ磁気層を伴うＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％の平面視のＴＥＭ画像が図１６ｂに示される。図１６ａおよび図１６ｂにおける両方の例は、約６ｎｍの平均粒度を有する小さい粒子を示した。良好に隔離されたＺｒＴｉＯＮ粒子は、表面に拡散するよりも、非結晶ＺｒＯ_２成分（表２に示されるように、６４．８原子％）が粒界に残りやすいことを示唆した。図１６ｃに示されるように、ＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ中間層上に成長した純粋なＦｅＰｔ膜の粒度分布は、ＺｒＴｉＯＮ中間層のものに高度に一致した。この類似性は、柱状成長によってＦｅＰｔ粒子がＺｒＴｉＯＮ粒子の上部に形成されたことを暗に示し得る。しかしながら、純粋なＦｅＰｔ膜の微細な粒界により、断面ＴＥＭ画像において、隔離されたＦｅＰｔ粒子とＦｅＰｔ層とを区別することは困難となり得る。このため、ＴＥＭによって観察されたＺｒＴｉＯＮ（３０体積％）の柱状成長は、良好に隔離されたＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜を用いて後に説明する。

図１７ａから図１７ｄは、差し込み解説パターンに示されるように、晶帯軸＜１１０＞（図１７ａ）および＜０１０＞（図１７ｃ）から観察したＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ４０体積％／ＦｅＰｔ（１０ｎｍ）膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す。図１７ｂは、図１７ａについての対応する逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）画像であり、図１７ｄは、図１７ｃについての対応する逆高速フーリエ変換（ｉＦＦＴ）画像である。

エピタキシャル関係ＺｒＴｉＯＮ（００２）＜２００＞／／ＦｅＰｔ（００１）＜１００＞が確認され得る。ｉＦＦＴ画像から、格子ひずみ（図１７ｂ）および転位（図１７ｄ）がみられる。また、不整転位がＺｒＴｉＯＮ／ＦｅＰｔ界面に見つかった。界面転位が不整ひずみを減少させてエピタキシャル成長を向上させ得ることが知られている。

図１８は、様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上に成長した１０ｎｍＦｅＰｔ膜の面外Ｍ−Ｈループを示す。面外Ｍ−Ｈループは図１８に示され、面内および面外保磁力のそれぞれは図１９にまとめられている。面外保磁力は、０から１０％へ増加し、そして、ＺｒＯ_ｘ濃度の増加に伴って面内保磁力がおおよそ減少し続ける間に減少する。面外保磁力の減少は、図１８に見られるキンクによって示されるように、軟磁性相の増加によるものであり得る。

一部の実施形態は、ＴｉＮ−Ｘ中間層上で成長した二相分離粒子ＦｅＰｔを伴い、ここでＸはＺｒＯ_２である。ＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ中間層は、１０ｍＴｏｒｒのＡｒ圧力で超高真空チャンバ内の真空環境においてＴｉＮおよびＺｒＯ_２ターゲットの共スパッタリングによって作られた。ｘが２であるＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ界面層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜を有するサンプルは、たとえば、３×１０^−９Ｔｏｒｒの底面圧でのマグネトロンスパッタリングによってＣｒＲｕ（３０ｎｍ）／ガラス基板上に堆積された。例１における純粋なＴｉＮ界面層を有する参考サンプルは、ここでの参考サンプルとして設定された。スパッタリング時の原位置での基板加熱が使用された。ＣｒＲｕ、ＴｉＮ−ＺｒＯの基板温度は、２８０°Ｃであり、ＦｅＰｔの基板温度は４８０°Ｃであった。ここで図２０を参照し、様々なＺｒＯ_ｘ濃度を伴ってＴｉＮ−ＺｒＯ_２中間層（ＺｒＴｉＯＮ中間層を形成する）上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜のＸＲＤスペクトルが示される。図２０から見られるように、ＺｒＴｉＯＮ中間層上に成長したＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘＣ膜のＸＲＤ結果は、良好なＬ１_０（００１）テクスチャを示し、ピーク遷移は見つからなかった。ＦｅＰｔ（００１）ピークの相対強度は、明らかな変化を示さず、ＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ粒子膜のエピタキシャル成長がＴｉＮ中間層におけるＺｒＯ_ｘドープの増加に伴って良好に維持され得たことが示唆される。

様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の平面視のＳＥＭ画像および対応する統計粒度分布が図２１ａ、図２１ｂ、図２１ｃ、および図２１ｄに示される。平均粒度およびその標準偏差は、ＺｒＯ_ｘ濃度が０から２０体積％へ増加することに伴って減少した。粒子隔離も向上した。２０体積％では、図２１ｃに見られるように、粒度は５．７４±１．２３ｎｍであった。粒度縮小は、ＺｒＴｉＯＮ中間層の表面エネルギーの減少によって起こり得て、アイランド成長が好適なものとなった。しかしながら、図２１ｄに示されるようにＺｒＯ_ｘ濃度をさらに３０体積％へ増加させると、粒度の増加および粒度均一性の悪化が引き起こされた。広く分散したＺｒＯ_ｘは、ＺｒＴｉＯＮ表面上の核生成箇所の一部を阻止し得て、最終的にＦｅＰｔ粒度の増加につながる。

図２２は、ＴｉＮおよびＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ界面層上のＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５％−Ｃ２０％膜のＸＲＤスペクトルを示す。図２２におけるＸＲＤ結果から、 ＴｉＮおよびＴｉＮ−４０体積％ＺｒＯ_ｘ上のＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜の両方が、良好なＬ１_０（００１）テクスチャを示した。ＴｉＮ−４０体積％ＺｒＯ_ｘについてのｆｃｃ（００２）ピークのみが観察された。ＴｉＮ界面層にＺｒＯ_ｘドープを導入した後、小さなピーク遷移が見つかった。

図２３ａおよび図２３ｂは、ＴｉＮおよびＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ界面層上のＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５％−Ｃ２０％膜のＭ−Ｈループを示す。ＴｉＮ−ＴｉＯ_ｘ界面層の場合と同様に、ＴｉＮへのＺｒＯ_ｘのドープを導入を伴い、ＦｅＰｔの良好な垂直異方性が維持された。シリコン／ガラス基板の直情の中間層、またはたとえばＣｒＲｕもしくはＭｇＯ下地層に配置される中間層として使用される、このＴｉＮ−Ｘで構成された材料を用いて、ＦｅＰｔＬ１_０（００１）テクスチャの膜の微細構造および磁気特性の両方が向上し、特に面内ヒステリシスが減少し、粒度が縮小される。また、ＨＡＭＲ媒体の熱処理は、ＴｉＮ−Ｘ下地層／界面層の良好な熱伝導度からの利益を受ける。

ＭｇＯ下地層／界面層と比較し、ＴｉＮ−Ｘは、以下を提供し得る。ａ．伝導性質 ＴｉＮ−Ｘは、絶縁ＭｇＯの高周波スパッタリングよりも高い堆積率（スループット率）および低いチャンバ汚染を有する直流スパッタリングを使用して作られ得る。ｂ．ＦｅＰｔ（００１）配向制御 ＴｉＮ−Ｘは、ＴｉＮのＦｅＰｔに対する湿潤により、非湿潤ＭｇＯよりもＦｅＰｔエピタキシャル成長および配向制御に優れている。ｃ．ドープによるＴｉＮ−Ｘの微細構造の向上は、効果的にＦｅＰｔ粒度を減少させ得ると同時に、最適な粒子形状を提供し、高い信号対雑音比を実現する。ｄ．３つのＩＶ族要素Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆの窒化物は、幅広い化学組成範囲および高い化学的安定性を有し、これは工業生産および耐久性に役立つ。ｅ．Ｔｉ、Ｚｒ、およびＨｆの炭化物、窒化物、および一酸化物は、同様の特性を有する異種同形体であり、完全に溶解可能である。これは、ＴｉＮ−Ｘの良好な環境適応性を示す。

ＳｉＯ_ｘおよびＣのドープ濃度を増加させることの効果は、粒度を減少させることであると調査された。図２４ａ、図２４ｂ、および図２４ｃは、異なるＳｉＯ_ｘおよびＣのドープ濃度を伴ってＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ４０体積％中間層上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜の平面視のＴＥＭ画像を示す。図２４ａは、３５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示し、図２４ｂは、４０％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す。図２４ｃは、４５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２５％（Ｃ）のドープ濃度を示す。図２５ａ、図２５ｂ、および図２５ｃは、それぞれ図２４ａ、図２４ｂ、および図２４ｃの断面ＴＥＭ画像を示す。図２６ａ、図２６ｂ、および図２６ｃは、それぞれ図２４ａ、図２４ｂ、および図２４ｃについての対応する粒度分布である。上記の図に示されるように、ＳｉＯ_ｘ４０体積％およびＣ２０体積％で粒度が予想外に増大したが、粒子隔離は良好となった。図２４ｃ、図２５ｃ、および図２６ｃに示されるように、ＳｉＯ_ｘ４５体積％およびＣ２５体積％で粒度が僅かに６．４１±１．１０ｎｍへ減少した。断面ＴＥＭ画像から、良好に隔離された粒子を伴うＦｅＰｔの単層構造が観察され得る。

図２７は、様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ中間層上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ、３０Ｗの電力で堆積）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の面内および面外保磁力の概要である。３０％ＺｒＯ_ｘについては、２５Ｗ−ＳｉＯ_ｘ４０体積％−Ｃ２０体積％および２０Ｗ−ＳｉＯ_ｘ４５体積％−Ｃ２５体積％という、異なるＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を有するさらに２つのサンプルが提示される。電力の減少により、ＦｅＰｔ堆積率が減少し、これ故にＦｅＰｔ層において相対的なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度（体積％）が増加した。

これらのサンプルのすべての磁気特性は、７テスラの印加磁場を有するＳＱＵＩＤによって特徴付けられる。面内（||）および面外（⊥）保磁力は、図２７にまとめられている。ＺｒＯ_ｘドープ濃度が０から３０体積％へ増加すると、面外保磁力が著しく減少し、面内保磁力は大きく変わらなかった。３０堆積％ＺｒＯ_ｘにおいて、ＳｉＯ_ｘおよびＣドープの増加は、面内および面外保磁力の両方について、まず増加させ（ＦｅＰｔ：３０Ｗ−２５Ｗ）、そして減少させた（ＦｅＰｔ：２５Ｗ−２０Ｗ）。ＴｉＮにおけるＺｒＯまたはＦｅＰｔにおけるＳｉＯ_ｘの高いドープ濃度により、ＦｅＰｔの垂直異方性が悪化する可能性もあり得る。

ＺｒＴｉＯＮはＦｅＰｔの粒度の減少を可能としたが、高いＺｒＯ_ｘドープレベルについては、蓄積したＺｒＯ_２成分がエピタキシャル成長を阻害し、これによってＦｅＰｔ粒子膜の磁気特性も阻害し得る。一部の実施形態において、ＺｒＴｉＯＮの層厚さは、２ｎｍまで減少し、ＺｒＯ_ｘドープによって引き起こされたＺｒＯ_２の蓄積作用が弱まった。また、一部の実施形態において、３ｎｍＴｉＮ中間層が、ＺｒＴｉＯＮの堆積の前に堆積された。一部の場合において、ＴｉＮ層はＺｒＴｉＯＮ（００２）テクスチャを向上させ得て、これによってＦｅＰｔ磁気層の垂直異方性が向上し得る。ＺｒＴｉＯＮの結晶度もまた、ＴｉＮ−Ｘ層の厚さを減少させることによって向上し得る。

図２８ａ、図２８ｂ、および図２８ｃは、異なるＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴ってＴｉＮ（３ｎｍ）／ＴｉＮ（２ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ３０体積％結合中間層上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜の断面ＴＥＭ画像を示す。図２８ａは、３５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す。図２８ｂは、４０％（ＳｉＯ_ｘ）＋２０％（Ｃ）のドープ濃度を示す。図２８ｃは、４５％（ＳｉＯ_ｘ）＋２５％（Ｃ）のドープ濃度を示す。図２９ａ、図２９ｂ、および図２９ｃは、それぞれ図２８ａ、図２８ｂ、および図２８ｃの平面ＴＥＭ画像を示す。図３０ａ、図３０ｂ、および図３０ｃは、それぞれ図２８ａ、図２８ｂ、および図２８ｃの対応する粒度分布である。サンプルのＸＲＤ結果は、先に説明したＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ ＺｒＴｉＯＮ／ＣｒＲｕ膜のものとかなり類似していた。良好なＬ１_０（００１）テクスチャがすべてのサンプルについて実現された。ＴＥＭ測定も行われた。ＺｒＯ_ｘドープ濃度の増加に伴い、粒度が減少した。代表的な結果として、様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴ってＺｒＴｉＯＮ／ＴｉＮ結合中間層上に成長したＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜の微細構造および対応する粒度統計は、図２８から図３０に示されるようなものとなった。図３０ａから図図３０ｃで理解されるように、ＳｉＯ_ｘ体積％およびＣ体積％の増加に伴い、ＦｅＰｔ粒度が図３０ａにおける７．０９ｎｍから図３０ｃにおける５．８０ｎｍへ減少した。粒度の標準偏差は、１．６６ｎｍから１．４１ｎｍへ狭まった。断面ＴＥＭ画像から、これら３つのサンプルのすべてがＦｅＰｔの単層構造を示し、ＦｅＰｔ粒子が良好に隔離されていることが分かる。さらに、すべてのＦｅＰｔ粒子は均一な正方形を示し、これはＴｉＮ−３０体積％ＺｒＯ_ｘ中間層が適度な表面エネルギーを有していることを示しており、エピタキシャル成長と粒度制御との良好なバランスが実現され得る。

図３１ａ、図３１ｂ、および図３１ｃは、一部の実施形態に従う、ＺｒＴｉＯＮ中間層およびＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ結合中間層の両方の上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜の高解像度ＴＥＭ画像を示す。ＦｅＰｔ粒子は、ＺｒＴｉＯＮ中間層上に成長した場合に、ほぼ半球形および相対的に大きなサイズを示した（図３１ａ）。ＺｒＴｉＯＮ中間層の柱状構造が観察され得る。図３１ａにおいて点線で示されるように、粒界における非結晶材料の分離が観察可能である。ＦｅＰｔ粒子は良好に一致し、ＺｒＴｉＯＮ粒子と実質的に隣接した一対一の垂直配列で成長した。ＴｉＮ中間層におけるＺｒＯ_ｘドープにより、ＺｒＴｉＯＮ固溶体粒子が形成され、非結晶ＺｒＯ_２が分離した。その後に、ＦｅＰｔ粒子は、ＺｒＴｉＯＮ粒子の上部においてエピタキシャルに形成された。一部の実施形態に従う、ＴｉＮおよびＺｒＴｉＯＮ中間層を伴うサンプルが図３１ｂおよび図３１ｃに示される。粒子は、小さい粒度および大きなアスペクト比（高さ／直径）を有する。これらの特徴は、ＺｒＯ_２成分の減少およびＺｒＴｉＯＮ結晶度の向上に関連し得る。

ＴｉＮ中間層における様々なＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＦｅＰｔ層における様々なＳｉＯ_ｘおよびＣドープ濃度を伴うＦｅＰｔサンプルについての面内および面外Ｍ−Ｈループが図３２から図３４に示される。図３２ａは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ１０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜を示す。図３２ｂは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ１０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ４０体積％−Ｃ２０体積％膜を示す。図３２ｃは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ１０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ４５体積％−Ｃ２５体積％膜を示す。図３３ａは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ２０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜を示す。図３３ｂは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ２０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ４０体積％−Ｃ２０体積%膜を示す。図３３ｃは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ２０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ４５体積％−Ｃ２５体積％膜を示す。図３４ａは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯｘ３０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％膜を示す。図３４ｂは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ３０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ４０体積％−Ｃ２０体積％膜を示す。最後に、図３４ｃは、ＴｉＮ（５ｎｍ）−ＺｒＯ_ｘ３０体積％上に成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−ＳｉＯ_ｘ４５体積％−Ｃ２５体積％膜を示す。

ＺｒＯ_ｘ、ＳｉＯ_ｘ、およびＣドープの増加に伴い、面外ループの直角度が減少する。特に、ＺｒＯ_ｘ３０体積％またはＳｉＯ_ｘ４５体積％−Ｃ２０体積％を有する膜については、零磁場におけるキンクが観察された。これらのキンクは、ＦｅＰｔと様々なドーパントとの間の相互拡散によって形成された軟磁性相に起因し得る。

ＺｒＯ_ｘドープ濃度に対する面内および面外保磁力の依存性は、図３５に示される。面外保磁力は、ＴｉＮ中間層のみでなくＦｅＰｔ磁気層におけるドープ濃度の増加に伴って減少した。違いは、ＴｉＮ／ＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％結合中間層上で成長したサンプルのＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％がＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％単一中間層上で成長した同じＦｅＰｔ膜よりもかなり良好な直角度、大きな面外保磁力、および小さなキンクなどの磁気特性を示したことである。面内保磁力については、増加して減少した。しかしながら、高いＺｒＯ_ｘドープ濃度およびＳｉＯ_ｘ−Ｃドープ濃度において面内保磁力は減少したが、これは向上した垂直異方性によるものではなく、逆に、Ｍ−Ｈループにおける大きなキンクによるものであり得る。図３５は、ＺｒＯ_ｘドープレベルの関数としての、ＴｉＮ／ＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ結合中間層上で成長したＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ３５体積％−Ｃ２０体積％サンプルの面内および面外保磁力を示す。図３５は、最適なドープレベルおよびスパッタリング電力によって高い面外保磁力および低い面内保磁力が実現されることを示す。

ＴｉＮ、ＺｒＴｉＯＮ、およびＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ中間層の一部の特性、微細構造の一部、ならびにこれら３つの中間層の各々の上で成長した同じＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜についての一部の磁気特性の比較が表３に列挙される。表３は、異なる中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−３５体積％ＳｉＯ_ｘ−２０体積％Ｃ膜についての半値全幅（ＦＷＨＭ）ΔΘ５０、面外保磁力Ｈ_ｃ⊥、面内保磁力Ｈ_ｃ／／、直角度Ｓ、平均粒度Ｄ、標準偏差σ（Ｄ）による粒度分布、および保磁力αにおける傾斜の概要を含む。ＴｉＮおよびＺｒＴｉＯＮ中間層に関する表３における情報の比較は、ＺｒＴｉＯＮ層について、１）粒度縮小、２）粒度均一性向上中間層、３）保磁力における傾斜がほぼ変化しなかったこと、４）磁化容易軸分散における僅かな増加が僅かに増加したこと、５）面外保磁力の減少、６）面内保磁力の増加、および７）０．９９から０．６６への直角度の減少を示す。

ＺｒＴｉＯＮ中間層をＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ中間層と比較した場合、ＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ層については、１）粒度分散が狭まり、２）垂直磁気異方性が著しく向上し、３）面外保磁力が２倍となり、４）面内保磁力が減少し、５）直角度が１近くに増加した。粒度統計について、結果は、ＺｒＴｉＯＮ中間層とＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ中間層との間に大きな差を示さない。したがって、ＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ結合中間層は、ＦｅＰｔの磁気特性に対するＺｒＯ_ｘドープの影響を効果的に減じると同時に、粒度縮小の利益を実現する。

表３

本願明細書において説明した様に、一部の実施において、ＴｉＯＮおよびＺｒＴｉＯＮ中間層などのＴｉＮ−Ｘ中間層は、真空環境におけるＴｉＮとＴｉＯ_２／ＺｒＯ_２との共スパッタリングによって作られ得る。本願明細書において説明したＸＰＳおよびＴＥＭの結果から、ＴｉＯＮおよびＺｒＴｉＯＮ中間層は、それぞれｆ．ｃ．ｃＴｉＮおよびｆ．ｃ．ｃＴｉＯ／ＺｒＯの固溶体であると判定された。ＴｉＮと比較すると、ＴｉＯＮおよびＺｒＴｉＯＮ中間層は、より小さな表面エネルギーを有し、これにより、ＦｅＰｔのウォリメル−ウェーバー型（アイランド）成長が好ましいものとなる。ＴｉＯＮまたはＺｒＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ−ＳｉＯｘ−Ｃ膜における大きな粒度縮小が実現され得る。断面ＴＥＭ画像から、ＦｅＰｔ薄膜の成長は、ＴｉＮ−Ｘ中間層におけるＴｉＯ_ｘまたはＺｒＯ_ｘドーパントの増加に伴い、ますますウォリメル−ウェーバー（アイランド）モデルに傾斜する。一部の実施形態によれば、ＴｉＮ／Ｚｒ（Ｔｉ）ＯＮの結合中間層は、ＦｅＰｔの磁気特性に対して有益なものとなり得る。

上で説明した一部の実施形態は、ＴｉＮ−４０体積％ＴｉＯ_ｘ中間層上で成長したＦｅＰｔ-ＳｉＯ_ｘ−Ｃを伴う。試験した場合、この構成は、断面ＴＥＭ画像において９０°の接触角で良好に隔離された正方形粒子を示し、粒度縮小および熱的安定性を提供する。様々なＴｉＯ_ｘドープ濃度を伴ってＴｉＯＮ中間層上に成長したＦｅＰｔ膜およびＦｅＰｔ−ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜の面外Ｍ−Ｈループは、ほぼ変化なく維持された。４０体積％ＴｉＯ_ｘドープを伴ってＴｉＯＮ中間層上で成長したＦｅＰｔ（４ｎｍ）−４５体積％ＳｉＯ_ｘ−２５体積％Ｃ膜は、小さく均一な５．６５ｎｍの平均粒度および１８ｋＯｅの高い保磁力を示した。

ＺｒＴｉＯＮ中間層上に成長したＦｅＰｔ-ＳｉＯ_ｘ−Ｃ膜については、ＺｒＯ_ｘ濃度の増加に伴って磁気特性が悪化し、これはＴｉＮ−ＴｉＯ_ｘとＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘとの違いによって引き起こされ得る。全社は全体的に固溶体を形成し、後者の一部は非結晶ＺｒＯ_２含有物を形成した。一部の実施形態において、ＴｉＮ／ＺｒＴｉＯＮ結合中間層が使用され得る。この構成は、磁気特性および／または粒度を向上させ得る。たとえば、ＴｉＮ／ＴｉＮ−ＺｒＯ_ｘ３０体積％結合中間層上に成長したＦｅＰｔ４ｎｍ−ＳｉＯ_ｘ４５体積％−Ｃ２５体積％膜については、５．８０±１．４１ｎｍの粒度が得られた。

様々な実施形態の構造および機能の詳細とともに、様々な実施形態の多くの特徴が上記の記載において述べられたが、この詳細な説明は例示のみであり、細部についての変更がなされ得て、特に様々な実施形態によって示される部分の構造および配置については、添付の特許請求の範囲が表現される用語の広い一般的な意味によって示される最大限の範囲において変更がなされ得ることが理解される。

一部の実施形態において、磁気スタックは、図１ｂに示されるように、ドープＴｉＮ−Ｘ層１１１と非ドープＴｉＮ層１１２とを含み得る。非ドープＴｉＮ層１１２は、基板１０１とＴｉＮ−Ｘ層１１１との間に配置される。ＴｉＮおよびＴｉＮ−Ｘ層を使用する一部の構成において、ＴｉＮ層は、約２ｎｍの厚さを有し得て、ＴｉＮ−Ｘ層は、約３ｎｍの厚さを有し得る。ＴｉＮ−Ｘ層１１１は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８を有する二相粒子層を含み得て、Ｘ材料の少なくとも一部は、ＴｉＮ−Ｘおよび／またはＴｉＮ粒子１１８の粒界１１９に配置される。

Claims (22)

1. スタックであって、
   基板と、
   磁気記録層と、
   前記基板と前記磁気記録層との間に配置されるＴｉＮ−Ｘ層とを備え、Ｘはドーパントである、スタック。
2. Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも１つを含む、請求項１に記載のスタック。
3. 前記磁気記録層は、
   ＦｅＰｔ、ＦｅＸＰｔ合金、ＦｅＰｄ、ＦｅＸＰｄ、Ｃｏ_３Ｐｔのうち少なくとも１つを含む磁性結晶粒子と、
   前記結晶粒子間に配置され、酸化物、窒化物、ホウ化物、および炭化物材料のうち少なくとも１つを含む非磁性分離体とを含む、請求項１に記載のスタック。
4. ＸはＴｉＯ_２であり、Ｘは、０より大きく約４０体積％以下の量で前記ＴｉＮ−Ｘ層内に存在する、請求項１に記載のスタック。
5. ＸはＺｎＯ_２であり、Ｘは、０より大きく約３０体積％以下の量で前記ＴｉＮ−Ｘ層内に存在する、請求項１に記載のスタック。
6. ＸはＴｉＯ_２を含み、
   前記磁気記録層は、磁性結晶粒子と、前記結晶粒子間に配置される非磁性分離体とを含み、前記結晶粒子は、前記磁気層の面において約８．５ｎｍ未満の平均直径を有する、請求項１に記載のスタック。
7. ＸはＺｎＯ_２を含み、
   前記磁気記録層は、磁性結晶粒子と、前記結晶粒子間に配置される非磁性分離体とを含み、前記結晶粒子は、前記磁気層の面において約６ｎｍ未満の平均直径を有する、請求項１に記載のスタック。
8. 前記磁気記録層は、ＦｅＰｔの磁性結晶粒子と、前記結晶粒子間に配置される、ＳｉＯ_ｘおよびＣを含む非磁性分離体とを含み、前記磁気層は、ＳｉＯ_ｘを約３５体積％と約４５体積％との間の量で含み、Ｃを約２０体積％の量で含む、請求項１に記載のスタック。
9. 前記ＴｉＮ−Ｘ層の厚さは約３０ｎｍ未満である、請求項１に記載のスタック。
10. ＣｒＲｕおよびＭｇＯのうちの１つ以上を含む軟磁性下地層をさらに備え、前記ＴｉＮ−Ｘ層は前記軟磁性下地層の上に配置される、請求項１に記載のスタック。
11. 前記ＴｉＮ−Ｘ層の厚さは約５ｎｍと約１０ｎｍとの間である、請求項１０に記載のスタック。
12. ＸはＴｉＯ_２であり、前記ＴｉＮ−Ｘ層は、ＴｉＯ_０．４５Ｎ_０．５５を含む、請求項１に記載のスタック。
13. 前記基板と前記ＴｉＮ−Ｘ層との間に配置される非ドープＴｉＮ層をさらに備える、請求項１に記載のスタック。
14. スタック表面に対して垂直な前記ＴｉＮ−Ｘ層の熱伝導は、前記ＴｉＮ−Ｘ層における横方向の熱伝導よりも大きい、請求項１３に記載のスタック。
15. 前記スタック表面に垂直な方向において前記ＴｉＮ−Ｘ層のＸの量が変化する、請求項１に記載のスタック。
16. 前記ＴｉＮ−Ｘ層はＴｉＯ_ｙＮ_１−ｙを含み、ｙは前記スタックの表面に垂直な方向において変化する、請求項１５に記載のスタック。
17. 前記ＴｉＮ−Ｘ層はＺｒＴｉＯ_ｙＮ_１−ｙを含み、ｙは前記スタックの表面に垂直な方向において変化する、請求項１５に記載のスタック。
18. 方法であって、
    ＴｉＮとＸとを共堆積させることによってＴｉＮ−Ｘ層を形成するステップを備え、Ｘは、ＭｇＯ、ＴｉＯ、ＴｉＯ_２、ＺｒＮ、ＺｒＯ、ＺｒＯ_２、ＨｆＮ、ＨｆＯ、ＡｌＮ、およびＡｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも１つを含み、方法はさらに、
    前記ＴｉＮ−Ｘ層上にＦｅＰｔ磁気層をエピタキシャル成長させるステップを備える、方法。
19. Ｘの量は、０より大きく、約４０体積％未満である、請求項１８に記載の方法。
20. 軟磁性下地層を形成するステップをさらに備え、前記ＴｉＮ−Ｘ層は軟磁性下地層上に成長する、請求項１８に記載の方法。
21. 前記軟磁性下地層は、ＣｒＲｕおよびＭｇＯのうち１つ以上を含む、請求項１８に記載の方法。
22. ＴｉＮ層を形成するステップをさらに備え、前記ＴｉＮ−Ｘ層は前記ＴｉＮ層の上に形成される、請求項１８に記載の方法。