JP2016009753A - 磁性薄膜および磁性薄膜を含む応用デバイス - Google Patents
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Abstract
【課題】高い磁気異方性定数Ｋｕおよび大きな保磁力Ｈｃを有する磁性薄膜、および当該磁性薄膜を含む応用デバイスを提供する。【解決手段】ＦｅおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の第１元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＩｒからなる群から選択される少なくとも１種の第２元素と、Ｓｃとを含む規則合金を含む。【選択図】なし
Description
本発明は、規則合金を含む磁性薄膜に関する。より詳細には、規則合金が、ＦｅおよびＰｔを主成分とし、Ｓｃを含む、磁性薄膜に関する。さらに、本発明は、前述の磁性薄膜を含む応用デバイスに関する。
磁性薄膜を含む応用デバイスは、磁気記録媒体、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）、およびマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスなどを含む。
磁性薄膜を含む応用デバイスの第１の例として、磁気記録媒体を説明する。磁気記録媒体は、ハードディスク、光磁気記録（ＭＯ）ディスク、および磁気テープなどの磁気記録装置に用いられている。その磁気記録方式は、面内磁気記録方式および垂直磁気記録方式を含む。
面内磁気記録方式は、従来用いられてきた方式であって、たとえばハードディスク表面に対して水平に磁気記録を行う方式である。しかしながら、近年では、より高い記録密度を実現可能な、ディスク表面に対して垂直に磁気記録を行う垂直磁気記録方式が主に用いられている。
垂直磁気記録方式に用いられる磁気記録媒体（以下、「垂直磁気記録媒体」と記載する場合がある）は、非磁性基板と、硬質磁性材料から形成される磁気記録層を少なくとも含む。垂直磁気記録媒体は、任意選択的に、軟磁性材料から形成されて、磁気ヘッドが発生する磁束を磁気記録層に集中させる役割を担う軟磁性裏打ち層、磁気記録層の硬質磁性材料を目的の方向に配向させるためのシード層、磁気記録層の表面を保護する保護膜などをさらに含んでもよい。
近年、垂直磁気記録媒体の記録密度のさらなる向上を目的として、磁気記録層中の磁性結晶粒の粒径を縮小させる必要に迫られている。一方で、磁性結晶粒の粒径の縮小は、記録された磁化の熱安定性を低下させる。そのため、磁性結晶粒の粒径の縮小による熱安定性の低下を補償するために、磁性結晶粒を、より高い結晶磁気異方性を有する材料を用いて形成することが求められている。
しかしながら、高い磁気異方性を有する材料で形成された磁気記録層を有する磁気記録媒体は、大きな保磁力を有し、磁化の記録が困難である。この記録困難性を克服するために、熱アシスト記録方式、マイクロ波アシスト記録方式などのエネルギーアシスト磁気記録方式が提案されている。熱アシスト記録方式は、磁性材料における磁気異方性定数（Ｋｕ）の温度依存性、すなわち高温ほどＫｕが小さいという特性を利用したものである。この方式では、磁気記録層の加熱機能を有するヘッドを用いる。すなわち、磁気記録層を昇温させて一時的にＫｕを低下させることにより反転磁界を低減させ、その間に書き込みを行う。降温後はＫｕが元の高い値に戻るため、安定して記録した磁化を保持できる。
磁性薄膜を含む応用デバイスの第２の例として、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）、およびこれを用いた磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）を説明する。フラッシュメモリ、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）などの従来のメモリは、メモリセル内の電子を用いて情報の記録を行っている。一方、ＭＲＡＭは、記録媒体にハードディスクなどと同じ磁性体を用いたメモリである。
ＭＲＡＭは、１０ｎｓ程度のアドレスアクセスタイム、および２０ｎｓ程度のサイクルタイムを有する。このため、ＭＲＡＭの読み書き速度は、ＤＲＡＭの読み書き速度の５倍程度であり、すなわち、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）の読み書き速度と同等である。また、ＭＲＡＭは、フラッシュメモリの１０分の１程度の低消費電力、ならびに高密度の集積を実現できるという利点を有する。
ここで、ＭＲＡＭに用いるＴＭＲは、種々の技術によって製造することができる。たとえば、反強磁性薄膜上に強磁性薄膜を形成することによって、ＴＭＲを含む積層体を得ることができる。特開２００５−３３３１０６号公報は、基板上に、反強磁性層、および該反強磁性層と交換結合する強磁性層が順次積層され、上記反強磁性層が、Ｍｎ−Ｉｒ合金の規則相（Ｍｎ３Ｉｒ）を含む交換結合素子を開示している（特許文献１参照）。当該文献の図５には、前述の交換結合素子を含むＴＭＲの模式断面図が開示されている。また、当該文献の図４には、交換結合素子を具備したスピンバルブ型磁気抵抗素子が開示されている。
磁性薄膜を含む応用デバイスの第３の例として、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを説明する。ＭＥＭＳデバイスとは、機械要素部品、センサー、アクチュエータ、および／または電子回路を単一の基板の上に集積化したデバイスの総称である。用いることができる基板は、シリコン基板、ガラス基板、または有機材料基板を含む。ＭＥＭＳデバイスの応用例は：プロジェクタの光学素子の１種であるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）；インクジェットプリンタのヘッド部に用いる微小ノズル；ならびに、圧力センサー、加速度センサー、および流量センサーのような各種のセンサーを含む。近年では、製造業における応用に加えて、医療分野などにおけるＭＥＭＳデバイスの応用が期待されている。
前述の応用デバイス（磁気記録媒体、ＴＭＲ、ＭＲＡＭ、及びＭＥＭＳデバイス）のいずれにおいても、磁性薄膜の磁気特性の向上、具体的には一軸磁気異方性定数（Ｋｕ）の向上が要請されている。なお、このように優れたＫｕ値を示す磁性薄膜の開発は、今後、記録媒体およびメモリの大容量化および／または高密度化に多大に貢献すると考えられる。
優れたＫｕ値を示す材料の候補として規則合金が注目され、その研究が活発に行われている。規則合金としては、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ等の各種の材料が着目されている。これらに添加して特性を向上するための添加材料の探索も続けられている。この点に関して、特開２０１０−１３５６１０号公報は、Ｌ１１型のＣｏ−Ｐｔ−Ｃ規則合金を含有する磁性薄膜を提案している（特許文献２参照）。このＣｏ−Ｐｔ−Ｃ規則合金は、任意選択的に、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｖ、Ｔｉ、Ｓｃ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ａｇ、Ｉｒ、Ａｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ、Ｈｆ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｇｅ、およびＢからなる群から選択される少なくとも１種の添加元素を含むことができる。しかしながら、これらの添加元素が磁性薄膜に与える影響は、具体的には検討されていない。
また、特開２００８−５９７３３号公報は、ＦｅＰｄ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔおよびＭｎＡｌのようなＬ１０型規則合金からなる磁性結晶粒と、酸化物からなる非磁性結晶粒界とで構成されるグラニュラー構造の磁気記録層を有する磁気記録媒体を提案している（特許文献３参照）。ここで、酸化物は、酸素と、少なくとも１つの元素が負の還元電位を有する１つまたは複数の元素とから構成される。酸化物を構成する元素の例として、スカンジウム（Ｓｃ）が記載されている。しかしながら、当該文献は、上記のグラニュラー構造の磁気記録層の特性について何らの評価も行っていない。加えて、当該文献は、Ｌ１０型規則合金に添加元素を導入することを開示も示唆もしていない。
以上のように、規則合金に添加する材料としてのＳｃに関する研究はほとんど進んでいないのが現状である。Ｓｃを添加した場合の規則合金の磁気特性、特に、そのような規則合金における磁気異方性定数Ｋｕについての研究はほとんど進展していない。
本発明の目的は、高い磁気異方性定数Ｋｕおよび大きな保磁力Ｈｃを有する磁性薄膜、および当該磁性薄膜を含む応用デバイスを提供することである。
本発明の磁性薄膜は、規則合金を含み、前記規則合金は、ＦｅおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の第１元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＩｒからなる群から選択される少なくとも１種の第２元素と、Ｓｃとを含むことを特徴とする。好ましくは、第１元素がＦｅであり、第２元素がＰｔである。また、規則合金は、Ｌ１０型規則構造を有することが望ましい。また、本発明の磁性薄膜は、前述の規則合金を含む磁性結晶粒と、非磁性結晶粒界とからなるグラニュラー構造を有してもよい。非磁性結晶粒界は、炭素、ホウ素、酸化物および窒化物からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことができる。また、本発明の磁性薄膜を用いて、マイクロエレクトロメカニカルシステムを形成することができる。
本発明の磁気記録媒体は、非磁性基板と磁気記録層とを含み、前記磁気記録層が前記磁性薄膜を含むことを特徴とする。
本発明のトンネル磁気抵抗素子は、固定磁性層と、自由磁性層と、障壁層とを含み、前記障壁層は、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に位置し、前記固定磁性層および前記自由磁性層の少なくとも一方は、前記磁性薄膜を含むことを特徴とする。このトンネル磁気抵抗素子を用いて、磁気ランダムアクセスメモリを形成することができる。
上記の構成を採用することによって、本発明の磁性薄膜は、大きな磁気異方性定数Ｋｕおよび大きな保磁力Ｈｃの両方を有することが可能となる。また、前述の特性を有する磁性薄膜は、高い記録密度を有する磁気記録媒体の磁気記録層として有用である。さらに、本発明の磁性薄膜は、磁気抵抗素子の小型化、磁気ランダムアクセスメモリおよびマイクロエレクトロメカニカルシステムの集積度の向上などにも有用であると考えられる。
本発明の第１の実施形態の磁性薄膜は、規則合金を含み、前記規則合金は、ＦｅおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の第１元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＩｒからなる群から選択される少なくとも１種の第２元素と、Ｓｃとを含む。好ましくは、規則合金は、Ｌ１０型構造を有する。好ましいＬ１０型規則合金は、ＦｅＰｔＳｃ、およびＦｅＰｄＳｃを含む。また、特に好ましいＬ１０型規則合金は、第１元素としてのＦｅ、第２元素としてのＰｔ、およびＳｃを含む。
本発明に用いられる規則合金において、第２元素に対する第１元素の比は、原子数を基準として０．７〜１．３の範囲内、好ましくは０．８〜１．１の範囲内としてもよい。この範囲内の組成比を用いることによって、大きな磁気異方性定数Ｋｕを有するＬ１０型規則構造を得ることができる。
本発明に用いられる規則合金中のＳｃは、好ましくは、０価の酸化状態のＳｃ、すなわち金属状態のＳｃである。何らかの理論に拘束されることを意図するものではないが、Ｓｃの添加によりＬ１０型規則構造の結晶格子のｃ軸長が増大する変形が生じ、この結晶格子の変形によって大きな磁気異方性定数Ｋｕおよび大きな保磁力Ｈｃが得られると考えることができる。規則合金は、Ｓｃ酸化物のようなより高い酸化状態のＳｃを含まない。より高い酸化状態のＳｃの化合物による他原子の置換、あるいは、より高い酸化状態のＳｃの化合物の格子内への侵入などの結晶格子を変形させる過程は原理的に起こりにくいと考えられるため、より高い酸化状態のＳｃの化合物によって本発明の作用効果が実現できるとは考えにくいためである。
本発明において、規則合金は、必ずしもすべての原子が規則構造を有していなくてもよい。規則構造の程度を表わす規則度Ｓが所定の値以上であれば良い。規則度Ｓは、磁性薄膜をＸ線回折法（ＸＲＤ）により測定し、測定値と完全に規則化した際の理論値との比により算出される。Ｌ１０型規則合金の場合は、規則合金由来の（００１）および（００２）ピークの積分強度を用いて算出する。測定された（００１）ピーク積分強度に対する（００２）ピーク積分強度の比の値を、完全に規則化した際に理論的に算出される（００１）ピーク積分強度に対する（００２）ピーク積分強度の比で除算することで規則度Ｓを得ることができる。このようにして得られた規則度Ｓが０．５以上であれば、磁性薄膜として実用的な磁気異方性定数Ｋｕを有する。
本実施形態の磁性薄膜は、前記規則合金からなる磁性結晶粒と、非磁性結晶粒界とからなるグラニュラー構造を有してもよい。ここで、非磁性結晶粒界は、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、酸化物、および窒化物を含んでもよい。非磁性結晶粒界に用いることができる酸化物は、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、およびＺｎＯを含む。非磁性結晶粒界に用いることができる窒化物は、ＳｉＮおよびＴｉＮを含む。グラニュラー構造において、それぞれの磁性結晶粒は、非磁性結晶粒界によって磁気的に分離される。この磁気的分離は、特に、磁性薄膜を磁気記録媒体の磁気記録層に用いた場合に、磁気記録媒体のＳＮＲ向上に有効である。
本実施形態の磁性薄膜は、好ましくは、基板の加熱を伴うスパッタ法にて形成される。スパッタ法としては、ＤＣマグネトロンスパッタリング法、ＲＦスパッタリング法などの当該技術分野においてよく知られた方法を用いることができる。以下の説明でスパッタ法と記載する場合も特に断りがない限り同様である。磁性薄膜を形成する際の基板温度は、４００〜５００℃の範囲内であることが好ましい。この範囲内の基板温度を採用することにより、磁性薄膜中のＬ１０型規則合金材料の規則度Ｓを向上させることができる。スパッタ法に用いるターゲットとして、第１元素および第２元素からなるターゲット、およびＳｃからなるターゲットである２つのターゲットを用いるスパッタ法を採用してもよい。あるいはまた、第１元素からなるターゲット、第２元素からなるターゲット、およびＳｃからなるターゲットである３つのターゲットを用いるスパッタ法を採用してもよい。これらの場合、それぞれのターゲットに別個に電力を供給することによって、磁気記録層３０の規則合金中の第１元素、第２元素およびＳｃの比率を制御することができる。
本実施形態の磁性薄膜の形成に用いられる基板は、表面が平滑である様々な基板であってもよい。たとえば、ＮｉＰメッキを施したＡｌ合金、強化ガラス、結晶化ガラス、シリコンまたはＭｇＯなどを、基板として用いることができる。
グラニュラー構造を有する磁性薄膜の形成の際には、磁性結晶粒を形成する材料と非磁性結晶粒界を形成する材料を所定の比率で混合したターゲットを用いてもよい。あるいはまた、磁性結晶粒を形成する材料からなるターゲットと、非磁性結晶粒界を形成する材料からなるターゲットとを用いてもよい。前述のように、磁性結晶粒を形成するためのターゲットとして複数のターゲットを用いてもよい。この場合、それぞれのターゲットに別個に電力を供給して、磁性薄膜中の磁性結晶粒と非磁性結晶粒界との比率を制御することができる。
本発明の第２の実施形態の磁気記録媒体は、非磁性基板と磁気記録層とを含み、前記磁気記録層は、少なくとも１つの第１の実施形態の磁性薄膜を含む。たとえば、図１に示す構成例では、磁気記録媒体は非磁性基板１０、磁気記録層３０、および任意選択的に設けてもよいシード層２０を含む。
非磁性基板１０は、表面が平滑である様々な基板であってもよい。磁気記録媒体に一般的に用いられる材料を用いることができる。たとえば、ＮｉＰメッキを施したＡｌ合金、強化ガラス、結晶化ガラス、あるいはＭｇＯ等を用いて、非磁性基板１０を形成することができる。
磁気記録層３０は、単一の層であっても、複数の層の積層体であってもよい。単一の層で構成される場合、磁気記録層３０は、第１の実施形態の磁性薄膜である。
磁気記録層が複数の層から構成される場合、複数の層の少なくとも１つは、第１の実施形態の磁性薄膜である。複数の層のその他の層は、キュリー温度（Ｔｃ）制御を目的とする層、磁化反転を調整するためのキャップ層、２つの磁性層間の交換結合を制御するための交換結合制御層、磁気特性を制御するための磁性層、マイクロ波アシスト磁気記録に向けた強磁性共鳴周波数を制御する磁性層などであってもよい。これらの層は、スパッタ法を含む、当該技術において知られている任意の方法を用いて形成することができる。
本発明の磁気記録媒体は、非磁性基板１０と磁気記録層３０との間に、密着層、ヒートシンク層、軟磁性裏打ち層、下地層、およびシード層２０からなる群から選択される１つまたは複数の層をさらに含んでもよい。また、本発明の磁気記録媒体は、磁気記録層３０の上に保護層４０をさらに含んでもよい。さらに、本発明の磁気記録媒体は、磁気記録層３０または保護層４０の上に液体潤滑剤層をさらに含んでもよい。
任意選択的に設けてもよい密着層は、その上に形成される層とその下に形成される層（非磁性基板１０を含む）との密着性を高めるために用いられる。密着層を非磁性基板１０の上面に設ける場合、密着層２０は、前述の非磁性基板１０の材料との密着性が良好な材料を用いて形成することができる。そのような材料は、Ｎｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｒｕなどの金属、前述の金属を含む合金を含む。あるいはまた、非磁性基板１０以外の２つの構成層の間に密着層を形成してもよい。密着層は、単一の層であってもよいし、複数の層の積層構造を有してもよい。
任意選択的に設けてもよい軟磁性裏打ち層は、磁気ヘッドからの磁束を制御して、磁気記録媒体の記録・再生特性を向上させる。軟磁性裏打ち層を形成するための材料は、ＮｉＦｅ合金、センダスト（ＦｅＳｉＡｌ）合金、ＣｏＦｅ合金などの結晶質材料、ＦｅＴａＣ，ＣｏＦｅＮｉ，ＣｏＮｉＰなどの微結晶質材料、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＴａＺｒなどのＣｏ合金を含む非晶質材料を含む。軟磁性裏打ち層の膜厚の最適値は、磁気記録に用いる磁気ヘッドの構造および特性に依存する。他の層と連続成膜で軟磁性裏打ち層を形成する場合、生産性との兼ね合いから、軟磁性裏打ち層が１０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内（両端を含む）の膜厚を有することが好ましい。
本発明の磁気記録媒体を熱アシスト磁気記録方式において使用する場合、ヒートシンク層を設けてもよい。ヒートシンク層は、熱アシスト磁気記録時に発生する磁気記録層３０の余分な熱を効果的に吸収するための層である。ヒートシンク層は、熱伝導率および比熱容量が高い材料を用いて形成することができる。そのような材料は、Ｃｕ単体、Ａｇ単体、Ａｕ単体、またはそれらを主体とする合金材料を含む。ここで、「主体とする」とは、当該材料の含有量が５０ｗｔ％以上であることを示す。また、強度などの観点から、Ａｌ−Ｓｉ合金、Ｃｕ−Ｂ合金などを用いて、ヒートシンク層を形成することができる。さらに、センダスト（ＦｅＳｉＡｌ）合金、軟磁性のＣｏＦｅ合金などを用いてヒートシンク層を形成することができる。軟磁性材料を用いることによって、ヘッドの発生する垂直方向磁界を磁気記録層５０に集中させる機能をヒートシンク層に付与することができ、軟磁性裏打ち層の機能を補完することもできる。ヒートシンク層の膜厚の最適値は、熱アシスト磁気記録時の熱量および熱分布、ならびに磁気記録媒体の層構成および各構成層の厚さによって変化する。他の構成層との連続成膜で形成する場合などは、生産性との兼ね合いから、ヒートシンク層の膜厚は１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。ヒートシンク層は、スパッタ法、真空蒸着法などの当該技術において知られている任意の方法を用いて形成することができる。通常の場合、ヒートシンク層は、スパッタ法を用いて形成される。ヒートシンク層は、磁気記録媒体に求められる特性を考慮して、非磁性基板１０と密着層との間、密着層と下地層との間などに設けることができる。
下地層は、上方に形成されるシード層２０の結晶性および／または結晶配向を制御するための層である。下地層は単層であっても多層であってもよい。下地層は、Ｃｒ金属、または主成分であるＣｒにＭｏ、Ｗ、Ｔｉ、Ｖ、Ｍｎ、Ｔａ、およびＺｒからなる群から選択される少なくとも１種の金属が添加された合金から形成される非磁性膜であることが好ましい。下地層は、スパッタ法などの当該技術において知られている任意の方法を用いて形成することができる。
シード層２０の機能は、下地層などのその下にある層と磁気記録層３０との間の密着性を確保すること、上層である磁気記録層３０の磁性結晶粒の粒径および結晶配向を制御することである。シード層２０は非磁性であることが好ましい。加えて、本発明の磁気記録媒体を熱アシスト磁気記録方式において使用する場合には、シード層２０が熱的なバリアとして磁気記録層３０の温度上昇および温度分布を制御することが好ましい。磁気記録層３０の温度上昇および温度分布を制御するために、シード層２０は、熱アシスト記録時の磁気記録層３０の加熱の際に磁気記録層５０の温度を速やかに上昇させる機能と、磁気記録層３０の面内方向の伝熱が起こる前に、深さ方向の伝熱によって磁気記録層３０の熱を下地層などの下層に導く機能とを両立することが好ましい。
上記の機能を達成するために、シード層２０の材料は、磁気記録層３０の材料に合わせて適宜選択される。より具体的には、シード層２０の材料は、磁気記録層の磁性結晶粒の材料に合わせて選択される。たとえば、磁気記録層３０の磁性結晶粒がＬ１0型規則合金で形成される場合、Ｐｔ金属、またはＮａＣｌ型の化合物を用いてシード層を形成することが好ましい。特に好ましくは、ＭｇＯ、ＳｒＴｉＯ3などの酸化物、あるいはＴｉＮなどの窒化物を用いてシード層２０を形成する。また、上記の材料からなる複数の層を積層して、シード層２０を形成することもできる。磁気記録層３０の磁性結晶粒の結晶性の向上、および生産性の向上の観点から、シード層２０は、１ｎｍ〜６０ｎｍ、好ましくは１ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚を有することが好ましい。シード層２０は、スパッタ法、真空蒸着法などの当該技術において知られている任意の方法を用いて形成することができる。
保護層は、磁気記録媒体の分野で慣用的に使用されている材料を用いて形成することができる。具体的には、Ｐｔなどの非磁性金属、ダイアモンドライクカーボンなどのカーボン系材料、あるいは窒化シリコンなどのシリコン系材料を用いて、保護層４０を形成することができる。また、保護層は、単層であってもよく、積層構造を有してもよい。積層構造の保護層は、たとえば、特性の異なる２種のカーボン系材料の積層構造、金属とカーボン系材料との積層構造、または金属酸化物膜とカーボン系材料との積層構造であってもよい。保護層は、スパッタ法、ＣＶＤ法、真空蒸着法などの当該技術において知られている任意の方法を用いて形成することができる。
液体潤滑剤層は、磁気記録媒体の分野で慣用的に使用されている材料を用いて形成することができる。たとえば、パーフルオロポリエーテル系の潤滑剤などを用いることができる。液体潤滑剤層は、たとえば、ディップコート法、スピンコート法などの塗布法を用いて形成することができる。
本発明の第３の実施形態である磁気抵抗素子について説明する。以下ではわかりやすさのためにトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ）を例にとって説明する。ＴＭＲは、図２に示すように、固定磁性層６２と、自由磁性層６４と、固定磁性層６２と自由磁性層６４との間の障壁層６６とを含み、固定磁性層６２および自由磁性層６４の少なくとも一方は、第１の実施形態の磁性薄膜である。
自由磁性層６４は、磁化の方位を変化することができる磁性層である。トンネル磁気抵抗素子６０に流す電流を用いてスピン注入型によって磁化を変化させることができる。あるいは外部から与える磁界によって磁化を変化させてもよい。
障壁層６６は、自由磁性層６４と固定磁性膜６２の間にトンネル電流を流すための障壁を配設する構成要素である。障壁層６６は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化物薄膜を用いて形成することができる。障壁層６６は、たとえば、スパッタ法、真空蒸着法など当該技術において知られている任意の方法及び条件を用いて形成することができる。
固定磁性膜６２は、トンネル磁気抵抗素子６０に、電流あるいは外部磁界を与えた場合でも、磁化の向きが変化しない磁性層として配設する構成要素である。固定磁性層３２と自由磁性層６４の磁化の向きの違いにより、障壁層６６を流れるトンネル電流の大きさを変化させることができる。
このような構成のトンネル磁気抵抗素子６０は、同素子に供給する電流または外部磁界により自由磁性層６４の磁化の向きを変化せることで動作する。たとえば、通電によってスピン注入を行い、スピン注入によって磁化を変化させるトンネル型磁気抵抗素子は次のように動作する。図２（ａ）に示すように、固定磁性層６２から自由磁性層６４に向かって電流を流すことによって、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きが平行な状態とすることができる。また、図２（ｂ）に示すように、自由磁性層６４から固定磁性層６２に向かって電流を流すことによって、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きが反平行な状態とすることができる。図２（ａ）および図２（ｂ）に示す両状態は、可逆的に相互に変化させることができる。トンネル磁気抵抗素子６０は、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きが平行であるか反平行であるかによって、「０」および「１」の情報を記録することができる。図２（ａ）および図２（ｂ）において、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きが平行である場合を「０」とし、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きが反平行である場合を「１」としたが、この対応関係は逆であってもよい。また、図２（ａ）および図２（ｂ）において、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きが層に平行である方向である場合を例示したが、固定磁性層６２および自由磁性層６４の磁化の向きは、層に垂直な方向であってもよい。この場合にも、両層の磁化の向きが平行であるか反平行であるかによって、障壁層６６を流れるトンネル電流の大きさを変化させて、「０」および「１」の情報を記録することができる。以上説明したＴＭＲの他にも、固定磁性層６２と自由磁性層６４を直接に接合した磁気抵抗素子としてもよい。
本発明の第４の実施形態である磁気ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）の１つの構成例を、図３に示す。図３は、外部から印加する磁界によってＴＭＲに記録する信号を変化させる構成例である。図３に示すＭＲＡＭ１００は、基板７２、ソース７４、ドレイン７６、およびゲート７８を有するＭＯＳ−ＦＥＴ７０と、コンタクト８２を介してソース７４と接続されるトンネル磁気抵抗素子６０と、ゲート７８と接続されるワード線８４と、トンネル磁気抵抗素子６０と接続されるビット線８６と、トンネル磁気抵抗素子６０に書込み磁界を印加するためのディジット線８８とを含む。
本実施形態のＭＲＡＭ１００は、ビット線８６およびディジット線８８に電流を流し、得られる合成磁界によって、トンネル磁気抵抗素子６０に、「０」または「１」の信号を記録する。ビット線８６およびディジット線８８は、互いに交差する方向に延びており、電流を流したビット線８６およびディジット線８８の交点に位置するトンネル磁気抵抗素子６０に信号を記録することができる。
一方、ＭＲＡＭ１００からの信号は、ワード線８４に電流を流して、ＭＯＳ−ＦＥＴ７０を「オン」にした状態で、ビット線８６に電圧を印加して、ビット線８６から、トンネル磁気抵抗素子６０およびコンタクト８２を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ７０へと流れる電流を検知することによって，読み出すことができる。この際の電流は、トンネル磁気抵抗素子６０のトンネル電流に相当し、「０」または「１」の信号に対応する。図３の構成例以外の方法としてもよい。たとえば、スピン注入型の磁気抵抗素子を用い、磁気抵抗素子に通電する電流によって記録する信号を変化させてもよい。
上記の第２〜第４の実施形態に加えて、本発明の第１の実施形態の磁性薄膜は、ＭＥＭＳデバイス中で用いることができる。ＭＥＭＳデバイスは、所定部材に第１の実施形態の磁性薄膜を組み込んで、任意の公知技術を用いて形成することができる。
（実施例１）
平滑な表面を有する（００１）ＭｇＯ単結晶基板（タテホ化学工業株式会社製）を洗浄し、非磁性基板１０を準備した。洗浄後の非磁性基板１０を、スパッタ装置内に導入した。非磁性基板１０を３５０℃に加熱した後に、圧力０．４ＰａのＡｒガス中でＰｔターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタ法により、膜厚２０ｎｍのＰｔシード層２０を形成した。
平滑な表面を有する（００１）ＭｇＯ単結晶基板（タテホ化学工業株式会社製）を洗浄し、非磁性基板１０を準備した。洗浄後の非磁性基板１０を、スパッタ装置内に導入した。非磁性基板１０を３５０℃に加熱した後に、圧力０．４ＰａのＡｒガス中でＰｔターゲットを用いたＲＦマグネトロンスパッタ法により、膜厚２０ｎｍのＰｔシード層２０を形成した。
次に、シード層２０を形成した非磁性基板１０を３５０℃に加熱した後に、圧力０．６ＰａのＡｒガス中で、ＦｅＰｔターゲットおよびＳｃターゲットを用いるＲＦマグネトロンスパッタ法により、膜厚１０ｎｍのＦｅＰｔＳｃ磁気記録層３０を形成し、図１に示す構造を有する磁気記録媒体を得た。ここで、ＦｅＰｔターゲットとして、Ｆｅ／Ｐｔ比が４５／５５のターゲットを用いた。また、ＦｅＰｔターゲットに印加する電力を３００Ｗに固定し、Ｓｃターゲットに印加する電力を４０〜４５０Ｗに変化させて、磁気記録層３０のＳｃの含有量を調整した。
ＸＲＤにより、得られた磁気記録媒体の磁気記録層３０がＬ１０型規則構造を有することを確認した。また、ＸＲＤにより、Ｌ１０型規則構造の結晶格子のａ軸およびｃ軸の長さを測定した。さらに、振動試料型磁力計（ＶＳＭ）を用いて、得られた磁気記録媒体のヒステリシス曲線を測定し、保磁力Ｈｃを測定した。また、得られた磁気記録媒体の磁気記録層３０の組成を、ラザフォード後方散乱法（ＲＢＳ）により測定した。以上の測定結果を第１表に示す。
磁気記録層３０のＳｃ含有量と、結晶格子のａ軸およびｃ軸の長さとの関係を図４に示す。図４から分かるように、Ｓｃ含有量が増加しても、結晶格子のａ軸の長さはほとんど変化しない。一方、結晶格子のｃ軸の長さは、Ｓｃ含有量の増加に伴って増大する。このことから、ＳｃがＦｅＰｔ結晶粒中に存在すると考えられる。
磁気記録層３０のＳｃ含有量と、保磁力Ｈｃとの関係を図５に示す。また、磁気記録層３０のＳｃ含有量と、磁気異方性定数Ｋｕとの関係を図６に示す。図５および図６から分かるように、Ｓｃを含むことにより、保磁力Ｈｃおよび磁気異方性定数Ｋｕが増大する。特に、Ｓｃの含有量が２．４ａｔ％である場合に、保磁力Ｈｃが８．５ｋＯｅ（６８０Ａ／ｍｍ）の最大値を示し、かつ、磁気異方性定数Ｋｕが２６．７ｅｒｇ／ｃｍ３（２．６７Ｊ／ｍ３）の最大値を示した。
これらのことから、Ｌ１０型規則合金に対するＳｃの添加が、優れた磁気特性の発現に有効であることが分かる。
１０ 非磁性基板
２０ シード層
３０ 磁気記録層
６０ トンネル磁気抵抗素子
６２ 固定磁性層
６４ 自由磁性層
６６ 障壁層
７０ ＭＯＳ−ＦＥＴ
７２ 基板
７４ ソース
７６ ドレイン
７８ ゲート
８２ コンタクト
８４ ワード線
８６ ビット線
８８ ディジット線
１００ ＭＲＡＭ
２０ シード層
３０ 磁気記録層
６０ トンネル磁気抵抗素子
６２ 固定磁性層
６４ 自由磁性層
６６ 障壁層
７０ ＭＯＳ−ＦＥＴ
７２ 基板
７４ ソース
７６ ドレイン
７８ ゲート
８２ コンタクト
８４ ワード線
８６ ビット線
８８ ディジット線
１００ ＭＲＡＭ
Claims (9)
- 規則合金を含み、前記規則合金は、ＦｅおよびＮｉからなる群から選択される少なくとも１種の第１元素と、Ｐｔ、Ｐｄ、ＡｕおよびＩｒからなる群から選択される少なくとも１種の第２元素と、Ｓｃとを含むことを特徴とする磁性薄膜。
- 前記第１元素がＦｅであり、前記第２元素がＰｔであることを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜。
- 前記規則合金がＬ１０型規則構造を有することを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜。
- 前記磁性薄膜が、前記規則合金を含む磁性結晶粒と、非磁性結晶粒界とからなるグラニュラー構造を有し、前記非磁性結晶粒界は、炭素、ホウ素、酸化物および窒化物からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の磁性薄膜。
- 非磁性基板と磁気記録層とを含み、前記磁気記録層が請求項１から４のいずれかに記載の磁性薄膜を含むことを特徴とする磁気記録媒体。
- 請求項１から４のいずれかに記載の磁性薄膜を含むことを特徴とする磁気抵抗素子。
- 固定磁性層と、自由磁性層と、障壁層とを含み、前記障壁層は、前記固定磁性層と前記自由磁性層との間に位置し、前記固定磁性層および前記自由磁性層の少なくとも一方は、請求項１から４のいずれかに記載の磁性薄膜を含むことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子。
- 請求項６に記載の磁気抵抗素子を含むことを特徴とする磁気ランダムアクセスメモリ。
- 請求項１から４のいずれかに記載の磁性薄膜を含むことを特徴とするマイクロエレクトロメカニカルシステム。
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