JP2018101673A - 磁性薄膜及び磁性薄膜の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】大きな磁気異方性定数を有し、ダンピング定数が小さい磁性薄膜を提供することを目的とする。【解決手段】本実施形態にかかる磁性薄膜は、基板と、前記基板の上に設けられた下地層と、前記下地層の上に設けられた強磁性金属層と、を備え、前記強磁性金属層は、Ｃｏの１原子層とＮｉの１原子層とを交互に有し、Ｌ１１型の規則構造を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁性薄膜及び磁性薄膜の製造方法に関する。

磁気抵抗効果素子として、強磁性金属層と非磁性層の積層構造からなる巨大磁気抵抗（GMR:Giant Magneto Resistive）素子、及び、非磁性層に絶縁層（トンネルバリア層、バリア層）を用いたトンネル磁気抵抗（TMR:Tunnel Magneto Resistive）素子が知られている。

磁気抵抗効果素子は、磁化固定層と磁化自由層との磁化の相対角に応じた抵抗値変化を利用した素子である。磁気抵抗効果素子は、磁気センサ素子、高周波部品、磁気ヘッド及び不揮発性磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM:Magnetoresistive Randam Access Memory）等の種々の電子情報デバイスに用いられている。

磁気抵抗効果素子を構成する強磁性金属層には、磁気異方性エネルギーが大きいこと及び磁化反転に要する電流量が小さいことが求められる。磁気異方性エネルギーは磁気異方性定数（Ｋｕ）に依存し、磁化反転に要する電流量はダンピング定数（α）に依存する。

磁気異方性エネルギーが大きいと、熱エネルギー等の外乱に対して磁化が安定化し、磁気情報を安定的に記憶できる。またダンピング定数が小さいと、磁化反転に必要な閾値電流を低減できる。

特許文献１には、ＣｏＦｅＢからなる強磁性金属層が記載されている。また非特許文献１には、１原子層のＣｏと２原子層のＮｉを交互に積層した積層構造体が、垂直磁化を有することが記載されている。

特開２０１５−８８５２０号公報

G.H.O.Daalderop, P.J.Kelly, and F.J.A.den Broeder,Phys.Rev.Lett.,68,682(1992).

磁気異方性エネルギーとダンピング定数は、ともにスピン軌道相互作用を起源とする物理量であるため、互いに正の相関関係を有する物質が多い。すなわち磁気異方性エネルギーが大きくなると、ダンピング定数も大きくなる。そのため、大きな磁気異方性エネルギーと小さなダンピング定数との両方を同時に実現することは難しい。

例えば特許文献１に記載のＣｏＦｅＢは、磁気抵抗効果素子の強磁性金属層として広く用いられているが、磁気異方性エネルギーとダンピング定数とが正の相関関係を有する。そのため、ＣｏＦｅＢの磁気異方性エネルギーが大きいと、磁化反転に大きな電流が必要となる。例えば、ＭＲＡＭの構造において素子の積層方向に大きな電流を流すためには、選択トランジスタを大きくする必要があり、素子の高集積化が困難となる。

これに対し、非特許文献１に記載のＣｏＮｉ積層体は、磁気異方性エネルギーとダンピング定数とが正の相関関係を有さないと言われている。しかしながら、Ｃｏ及びＮｉを用いた系において、磁化安定性を維持できるだけの大きな磁気異方性エネルギーを有する磁性薄膜の報告はされていない。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、大きな磁気異方性定数を有し、ダンピング定数が小さい磁性薄膜を提供することを目的とする。

本発明者らは、ＣｏとＮｉとを１原子層ずつ交互に積層し、強磁性金属層をＬ１_１型の規則構造にすることで、大きな磁気異方性定数を有し、ダンピング定数が小さい磁性薄膜が得られることを見出し、本発明を完成させた。
すなわち、本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。

（１）第１の態様にかかる磁性薄膜は、基板と、前記基板の上に設けられた下地層と、前記下地層の上に設けられた強磁性金属層と、を備え、前記強磁性金属層は、Ｃｏの１原子層とＮｉの１原子層とを交互に有し、Ｌ１_１型の規則構造を有する。

（２）上記態様にかかる磁性薄膜において、前記下地層は、前記基板側の第１下地層と、前記強磁性金属層側の第２下地層とを有し、前記第１下地層は、前記基板と前記強磁性金属層との結晶構造の違いを緩和する材料を含み、前記第２下地層は、前記強磁性金属層が積層される面の平坦性を高める材料を含んでもよい。

（３）上記態様にかかる磁性薄膜において、前記第１下地層は、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一つを有してもよい。

（４）上記態様にかかる磁性薄膜において、前記第２下地層は、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ及びＰｔからなる群から選択される少なくとも一つを有してもよい。

（５）上記態様にかかる磁性薄膜において、前記基板は単結晶基板であってもよい。

（６）上記態様にかかる磁性薄膜において、前記強磁性金属層の磁化が積層方向に配向し、結晶磁気異方性定数が５×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３以上であり、ダンピング定数が０．０１５以下であってもよい。

（７）第２の態様にかかる磁性薄膜の製造方法は、基板の上に下地層を積層する工程と、被成膜体を加熱しながら、前記下地層の上にＣｏの１原子層とＮｉの１原子層とを交互にエピタキシャル成長させ、Ｌ１_１型の規則構造を有する強磁性金属層を形成する工程と、を有する。

（８）上記態様にかかる磁性薄膜の製造方法において、前記強磁性金属層を形成する工程において、被成膜体を５０℃以上３００℃以下の条件で加熱する。

上記態様にかかる磁性薄膜は、大きな磁気異方性定数を有し、ダンピング定数が小さい。また上記態様にかかる磁性薄膜の製造方法によれば、大きな磁気異方性定数を有し、ダンピング定数が小さい磁性薄膜を得ることができる。

本実施形態にかかる磁性薄膜の断面模式図である。 強磁性金属層の結晶構造を示した図である。 本実施形態にかかる磁性薄膜を磁気抵抗効果素子として用いた場合の断面模式図である。 磁気異方性定数の成膜温度依存性を示した結果である。 放射光を用いたＸ線回折により強磁性金属層を分析した結果であり、（ａ）は規則格子反射を測定した結果であり、（ｂ）は基本格子反射を測定した結果である。 強磁性金属層にＣｏのエネルギー吸収端に相当する波長の放射光と、エネルギー吸収端の波長と異なる波長の放射光と、を照射した結果であり、（ａ）は規則格子反射を測定した結果であり、（ｂ）は基本格子反射を測定した結果である。 参考例１及び参考例２の実効的な磁気異方性定数を示した結果である。

以下、本実施形態について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。

（磁性薄膜）
図１は、本実施形態にかかる磁性薄膜１００の断面模式図である。図１に示すように、磁性薄膜１００は、基板１０と下地層２０と強磁性金属層３０とを備える。また強磁性金属層３０の基板１０と反対側には、保護層４０を有していてもよい。以下、便宜上、各層の積層方向を「上」、その反対方向を「下」と言う。

基板１０は、磁性薄膜１００の支持体として機能する。基板１０には、Ｓｉ基板、熱酸化Ｓｉ基板、サファイア基板等を用いることができる。基板１０は、平坦性に優れることが好ましく、単結晶基板を用いることが特に好ましい。単結晶基板の具体例として、サファイア基板が挙げられる。サファイア基板の積層面は、後述する下地層２０との格子整合性を高めるために、（１１−２０）面を用いることが好ましい。

下地層２０は、基板１０の上に積層されている。下地層２０は、基板１０と強磁性金属層３０の結晶構造の違いを緩和するためのバッファ層である。下地層２０は、基板１０の表面平坦性を改善し、強磁性金属層３０の結晶配向性等を高める。

下地層２０は、強磁性金属層３０と同様の結晶構造を有していることが好ましい。下地層２０には、例えば、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｍｏ、Ｗの群から選択される少なくとも１つの元素を含む物質を用いることができる。この物質には、単体金属、合金、酸化物、窒化物等が含まれる。これらの中でも下地層２０に用いる材料としては、下地層２０の平坦性と強磁性金属層３０の結晶配向の観点からＶが特に好ましい。

下地層２０は、１層でも、２層以上の複数層でもよい。図１に示す下地層２０は、基板１０側から第１下地層２１と第２下地層２２とからなる。

下地層２０を複数層にすると、それぞれの層ごとに機能を分けることができる。例えば、第１下地層２１に主として基板１０と強磁性金属層３０との結晶構造の違いを緩和する物質を用い、第２下地層２２に主として強磁性金属層３０が積層される積層面の平坦性を高める物質を用いることができる。このような構成とすると、第１下地層２１により結晶構造が調整された後、第２下地層２２により積層面が平坦化される。その結果、強磁性金属層３０が積層される積層面の平坦性がより高まる。

第１下地層２１に用いられる基板１０と強磁性金属層３０との結晶構造の違いを緩和する物質としては、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ、Ｃｒ等が挙げられる。第１下地層２１は、これらの物質の少なくとも一つを有することが好ましい。これらの中でも第１下地層２１に用いる材料としては、エピタキシャル成長を実現可能で、かつ、平坦な薄膜を実現し易いＮｂ、Ｖ又はＣｒがより好ましく、Ｖが特に好ましい。

これらの物質は体心立方格子構造（以下、ｂｃｃ構造と言う）を有する。これらの物質がサファイアの（１１−２０）面上に積層すると、積層面の格子構造が変化する。その結果、積層面が面心立方格子構造（以下、ｆｃｃ構造という）にエピタキシャル成長しやすい面となる。

第２下地層２２に用いられる強磁性金属層３０が積層される積層面の平坦性を高める物質としては、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｐｔ等が挙げられる。第２下地層２２は、これらの物質の少なくとも一つを有することが好ましい。これらの中でも第２下地層２２に用いる材料としては、Ａｕ、Ｃｕ又はＡｇがより好ましく、Ａｕが特に好ましい。

これらの物質は、積層面の平坦性を高めるが、積層面の格子構造は変えない。そのため、ｆｃｃ構造がエピタキシャル成長しやすい面を維持したまま、積層面が平坦化される。

また第２下地層２２は、以下の２つの特性を有していることが好ましい。１つは、強磁性金属層３０との格子整合性が高いことであり、もう一つはダンピング定数を大きくしないことである。

格子整合性が高いとは、積層界面において第２下地層２２のもつ周期構造と、強磁性金属層３０のもつ周期構造との周期単位が一致していることをいう。これらの周期単位が一致するほど積層界面における歪みは小さくなり、積層される強磁性金属層３０の結晶性が高まる。この点を考慮すると、第２下地層２２はＡｕ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔからなる群から選択される少なくとも一つを有することが特に好ましい。

またダンピング定数は、スピン軌道相互作用の大きさに影響を受ける定数である。一般に、４ｄ電子、５ｄ電子又は４ｆ電子の寄与が大きい重金属は、スピン軌道相互作用が大きいと言われている。そのため、Ｐｄ及びＰｔ等の重金属は第２下地層２２として用いないことが好ましい。

一方で、Ｐｄ及びＰｔの金属は、界面効果により強磁性金属層３０の磁化の向きを積層面に対して垂直に向ける作用を持つ。そのため、ダンピング定数を多少犠牲にしても、磁気異方性エネルギーを高めたい場合は、Ｐｄ又はＰｔ等を用いてもよい。

強磁性金属層３０は、下地層２０上に積層されている。強磁性金属層３０は、Ｃｏの１原子層とＮｉの１原子層とが交互に積層されている。以下、Ｃｏの１原子層をＣｏ層３１、Ｎｉの１原子層をＮｉ層３２という。強磁性金属層３０は、磁化が積層方向に配向した垂直磁化膜である。

図２は、強磁性金属層３０の結晶構造を示した図である。図２に示すように、強磁性金属層３０において１層目の原子の面内位置をＡとし、２層目の原子の面内位置をＢとすると、３層目の原子の面内位置がＡと異なるＣの位置に配置されている。すなわち、強磁性金属層３０は、各層がＡＢＣＡＢＣ…の順で積層されたｆｃｃ構造であり、Ｃｏ１原子層とＮｉ１原子層が交互に積層されたＬ１_１型の規則構造を有する。

強磁性金属層３０のとりうる結晶構造として、六方最密構造（以下、ｈｃｐ構造と言う）も考えられる。しかしながら、Ｎｉは薄膜でｆｃｃ構造をとり、Ｃｏも薄膜で準安定層としてｆｃｃ構造をとる。そのため強磁性金属層３０は、ｆｃｃ構造のＬ１_１型の規則構造を選択する方が安定であり、ｈｃｐ構造をとらない。

合金は、組成、温度条件等によって様々な状態をとる。しかしながら、ＣｏとＮｉの合金は組成、温度条件をどのように制御しても、Ｌ１_１型の規則構造に遷移することはできない。これは、Ｃｏ−Ｎｉ系の熱平衡状態図にＬ１_１型の規則構造が存在しないためである。本実施形態にかかる強磁性金属層３０は、Ｃｏ層３１とＮｉ層３２とを１原子層レベルで精密に制御して積層することで、人工的にＬ１_１型の規則構造を有するＣｏＮｉ積層体が得られている。

強磁性金属層３０が規則構造を有すると、磁気異方性定数が大きくなり磁気異方性エネルギーが高まり、ダンピング定数が小さくなる。磁気異方性エネルギーが高まるのは、規則構造が形成されることにより原子配列の乱れが減り原子層間の界面が急峻となり、Ｃｏ−Ｎｉ系において磁気異方性の起源となる界面の効果が増強されるためと考えられる。一方で、ダンピング定数が小さくなるのは、規則構造の形成によりフェルミ面の状態密度が変化するためであると理論計算から考えられる。

なお、図１では、基板側からＣｏ層３１、Ｎｉ層３２の順に積層しているが、積層順は特に問わず、Ｎｉ層３２、Ｃｏ層３１の順に積層してもよい。

保護層４０は、強磁性金属層３０が酸化されることを防ぐ層である。そのため、保護層４０に用いる物質は特に問わない。例えば、Ｒｕ、Ｔａ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ等を用いることができる。

図３は、本実施形態にかかる磁性薄膜１００を磁気抵抗効果素子１０１として用いた場合の断面模式図である。図３に示すように、磁気抵抗効果素子１０１として用いる場合は、保護層４０を非磁性層４１と第２強磁性金属層４２とに置換できる。磁気抵抗効果素子１０１は、非磁性層４１を挟んで、強磁性金属層３０の磁化と第２強磁性金属層４２の磁化との相対角の差を抵抗値として出力する。

上述のように、本実施形態にかかる磁性薄膜１００は、強磁性金属層３０がＣｏとＮｉが１原子層ずつ積層され、全体でＬ１_１型の規則構造を有する。その結果、磁性薄膜１００の磁気異方性定数を５×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３以上とし、ダンピング定数を０．０１５以下にできる。

（磁性薄膜の製造方法）
以下、上述の磁性薄膜１００の製造方法について説明する。磁性薄膜１００の製造方法は、第１工程と第２工程とを有する。第１工程は、基板１０の上に下地層２０を積層する工程であり、第２工程は、被成膜体を加熱しながらＣｏの１原子層とＮｉの１原子層とを交互にエピタキシャル成長させ、規則構造を有する強磁性金属層３０を形成する工程である。

第１工程では、まず基板１０を準備する。基板１０は、上述のように平坦性が高いことが好ましく、サファイアを用いることが好ましい。

準備した基板１０上に下地層２０を積層する。下地層２０が複数層からなる場合は、基板１０側から順に積層する。下地層２０の成膜には、公知の方法を用いることができる。例えば、スパッタリング装置を用いた成膜方法等を用いることができる。またこのほか、蒸着法、パルスレーザー蒸着法、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）法等の薄膜作製法を用いることができる。

次いで、第２工程として下地層２０上にＣｏ層３１とＮｉ層３２とを１原子層ずつ交互にエピタキシャル成長させる。Ｃｏ層３１及びＮｉ層３２をエピタキシャル成長させることで、Ｃｏ原子及びＮｉ原子が配列しながら成膜される。そして、Ｌ１_１規則構造を有する強磁性金属層３０が形成される。

エピタキシャル成長は、電子線蒸着装置、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置、スパッタリング装置、パルスレーザー蒸着装置等を用いることができる。これらの中でも分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置を用いることが最も好ましい。

分子線エピタキシー法は、１０^−６Ｐａ以下の高真空中で原料を蒸発させ、蒸発した原料を被成膜体上に成膜する方法である。分子線エピタキシー法では、原料は大きな運動量を持って被成膜体に衝突するのではなく、徐々に堆積する。

被成膜体上に到達した原子は、エネルギー的に安定な位置まで移動することができ、場合によってはステップフロー成長する。その結果、１原子層ごとの結晶成長を制御することが可能となり、本実施形態にかかる強磁性金属層３０のような単結晶の人工格子を作製できる。なお、Ｃｏ層３１とＮｉ層３２の切り替えは、原料セルのシャッター制御により行う。

一方で、スパッタリング法を用いる場合は成膜条件に留意する必要がある。スパッタリング法は、イオン化させたガスをターゲット表面に衝突させ、衝突により弾き飛んだ原子を被成膜体上に成膜する。そのため、一般に被成膜体上に到達した原子は大きな運動量を有し、衝突した箇所に成膜されやすい。

そこで、ターゲットから弾き飛んだ原子が被成膜体に至った時点で運動量が小さくなっているようにする。例えば、被成膜体とターゲットの距離を充分に離す、ターゲットに当てるイオンのエネルギーを小さくする等のスパッタリング条件の調整を行う必要がある。

その他の方法においてもＣｏ層３１及びＮｉ層３２がエピタキシャル成長するように条件出しを行う。

Ｃｏ層３１及びＮｉ層３２をエピタキシャル成長させる際には、被成膜体を加熱することが重要である。加熱の温度としては、５０℃以上３００℃以下が好ましく、１００℃以上２５０℃以下がより好ましく、１５０℃以上２３０℃以下がさらに好ましい。

被成膜体を加熱すると、被成膜体上に到達した原子がエネルギー的に安定な位置まで移動しやすくなる。そのため、Ｃｏ層３１及びＮｉ層３２がエピタキシャル成長しやすくなる。すなわち、強磁性金属層３０の規則性が高まり、欠陥の少ないＬ１_１規則構造が形成される。一方で、被成膜体を加熱しすぎると、強磁性金属層３０がＬ１_１型の規則構造を維持することができず、不規則合金化する。

最後に、強磁性金属層３０上に保護層４０を成膜する。保護層４０の成膜には上述の成膜方法を用いる。保護層４０を設けることで、強磁性金属層３０が酸化することなく、真空チャンバーから磁性薄膜１００を取り出すことが可能になる。

上述のように、本実施形態にかかる磁性薄膜１００の製造方法によると、強磁性金属層３０を１原子層単位で制御することができる。そのため、Ｃｏ層３１とＮｉ層３２が交互に積層されたＬ１_１型規則構造の単結晶を人工的に作製できる。Ｌ１_１型規則構造はＣｏ−Ｎｉ系の熱平衡状態図には存在しないため、Ｃｏ層３１とＮｉ層３２が交互に積層されたＬ１_１型規則構造は１原子層ずつの制御成膜により初めて得られるものである。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

（磁気異方性定数の測定）
サファイア基板の（１１−２０）面上に、第１下地層２１としてバナジウムを１０ｎｍ、第２下地層２２として金を１０ｎｍ積層した。

そして被成膜体を裏面から加熱しながら、分子線エピタキシー法を用いてＣｏとＮｉとを１原子層ずつ交互に成膜した。ＣｏおよびＮｉ各々の積層数はそれぞれ２０層とした。

加熱の条件を変えた試料を準備し、それぞれの磁気異方性定数（Ｋｕ）を求めた。磁気異方性定数は、膜面垂直方向に磁場を印加した磁化曲線と面内方向の磁化曲線の差から求めた。図４は、その結果を示す。

図４に示すように、何れの温度条件でも磁気異方性定数が５×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３以上であり、非常に大きな磁気異方性定数を示した。特に、２００℃までは加熱温度の増加に伴い、磁気異方性定数は増加した。

（ダンピング定数の算出）
次いで、ダンピング定数の値を第１原理計算により理論計算した。その結果、ダンピング定数は０．０１５と非常に小さい値を示した。なお、第１原理計算により求めた磁気異方性定数は５×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３であり、実験結果と第１原理計算の結果が対応していることを確認した。

（Ｌ１_１型規則構造の有無の確認）
磁気異方性定数の測定と同様の手順でＣｏとＮｉの積層体を作製した。得られたＣｏとＮｉの積層体の結晶構造を、放射光を用いたＸ線回折（ＳＲ−ＸＲＤ：２θ−θスキャン、ＳＰｒｉｎｇ−８）により分析した。分析結果を図５に示す。図５（ａ）は規則格子反射を測定した結果であり、図５（ｂ）は基本格子反射を測定した結果である。

ＣｏとＮｉが交互に積層している構造を確認するためには、ＣｏとＮｉの違いをＸ線により判別する必要がある。ＣｏとＮｉは原子番号が１しか違わず、Ｘ線の原子散乱因子が近いため、従来のＸ線回折の手法では判別が非常に難しい。そこで、Ｃｏのエネルギー吸収端の波長である７．７１ｋｅＶの放射光を用いてＸ線回折を行った。Ｃｏのエネルギー吸収端の波長を用いることで、Ｃｏ原子におけるＸ線異常散乱の寄与を利用でき、Ｎｉ原子との違いを見分けることができる。

規則格子反射は、Ｃｏの散乱とＮｉの散乱の差分を測定している。そのため、この差分が特定のピークを持つということは、ＣｏとＮｉが周期性をもって積層されていることを意味する。図５に示すように、加熱温度を２００℃で作製した試料は２３°付近にピークが確認された。

これに対し、室温で作製した試料には、ピークは全く確認されなかった。すなわち、加熱によりＣｏ及びＮｉにおける規則構造への規則化が促進されたものと考えられる。

なお、加熱温度を１００℃で作製した試料及び３００℃で作製した試料にも明確なピークは確認されなかった。しかしながら、これらも図４に示すように高い磁気異方性定数を示していることから何らかの規則構造を有することが推察される。

加熱温度を３００℃で作製した試料は、加熱温度が高く規則構造が崩れ出し、明確なピークが確認できなかった可能性がある。加熱温度を１００℃で作製した試料は、バックグラウンドとの切り分けが上手くいかず、明確なピークが確認できなかった可能性がある。

一方で、基本格子反射は、Ｃｏ原子とＮｉ原子からの平均の反射を測定している。いずれの温度条件でも、同一の位置にピークが確認され、いずれの温度条件で作製した試料もＣｏ及びＮｉが同程度存在していることが確認できる。

また図６は、加熱温度を２００℃で作製した試料にＣｏのエネルギー吸収端に相当する波長の放射光と、エネルギー吸収端に相当する波長とは異なる波長の放射光と、を照射した結果を示す。図６（ａ）は規則格子反射を測定した結果であり、図６（ｂ）は基本格子反射を測定した結果である。

図６（ａ）に示すように、Ｃｏのエネルギー吸収端に相当する波長の放射光を照射した場合は確認できたピークが、Ｃｏのエネルギー吸収端に相当する波長と異なる波長の放射光を照射した場合に消滅している。すなわち、Ｃｏのエネルギー吸収端に相当する波長を用いることで、規則格子反射を確認できており、このピークは規則構造の形成に由来するものだと言える。一方で、図６（ｂ）に示すように、基本格子反射は放射光の波長を変えても同程度の大きさのピークが確認された。照射している波長が異なる為、ピークの位置はずれている。

（基板の影響）
参考例１として、サファイア基板の（１１−２０）面上に、第１下地層２１としてバナジウムを１０ｎｍ、第２下地層２２として金を１０ｎｍ積層した。そして被成膜体を加熱せずに室温で、分子線エピタキシー法を用いてＣｏとＮｉとを順に成膜した。

Ｃｏ１原子層に対するＮｉの積層原子数を変えた試料を作製し、実効的な磁気異方性定数を求めた。試料は、Ｃｏ１原子層とＮｉ１原子層を交互に積層したもの、Ｃｏ１原子層とＮｉ２原子層を交互に積層したもの、Ｃｏ１原子層とＮｉ３原子層を交互に積層したもの、Ｃｏ１原子層とＮｉ４原子層を交互に積層したものを準備した。

また参考例２として基板をサファイア基板から熱酸化膜付きシリコンに変えて同様の検討を行った。

図７は、参考例１及び参考例２の実効的な磁気異方性定数を示した結果である。図７に示すように、何れの試料においてもサファイア基板上にＣｏ及びＮｉを積層した試料は、熱酸化膜付きシリコン上にＣｏ及びＮｉを積層した試料より高い磁気異方性を示した。単結晶やエピタキシャル成長させた薄膜の方が、原子が原子レベルで層状に配列するためと考えられる。

なお、Ｃｏ１原子層とＮｉ１原子層を交互に積層した試料の実効的な磁気異方性定数が２×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３程度であるのは、成膜条件が室温であることに起因すると考えられる。

１００…磁性薄膜、１０…基板、２０…下地層、２１…第１下地層、２２…第２下地層、３０…強磁性金属層、３１…Ｃｏ層、３２…Ｎｉ層、４０…保護層、１０１…磁気抵抗効果素子、４１…非磁性層、４２…第２強磁性金属層

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の上に設けられた下地層と、
   前記下地層の上に設けられた強磁性金属層と、を備え、
   前記強磁性金属層は、Ｃｏの１原子層とＮｉの１原子層とを交互に有し、Ｌ１_１型の規則構造を有する、磁性薄膜。
2. 前記下地層は、前記基板側の第１下地層と、前記強磁性金属層側の第２下地層とを有し、
   前記第１下地層は、前記基板と前記強磁性金属層との結晶構造の違いを緩和する材料を含み、
   前記第２下地層は、前記強磁性金属層が積層される面の平坦性を高める材料を含む、請求項１に記載の磁性薄膜。
3. 前記第１下地層は、Ｖ、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＣｒからなる群から選択される少なくとも一つを有する、請求項２に記載の磁性薄膜。
4. 前記第２下地層は、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｄ及びＰｔからなる群から選択される少なくとも一つを有する、請求項２または３のいずれかに記載の磁性薄膜。
5. 前記基板は単結晶基板である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁性薄膜。
6. 前記強磁性金属層の磁化が積層方向に配向し、磁気異方性定数が５×１０^６ｅｒｇ／ｃｍ^３以上であり、ダンピング定数が０．０１５以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁性薄膜。
7. 基板の上に下地層を積層する工程と、
   被成膜体を加熱しながら、前記下地層の上にＣｏの１原子層とＮｉの１原子層とを交互にエピタキシャル成長させ、Ｌ１_１型の規則構造を有する強磁性金属層を形成する工程と、を有する、磁性薄膜の製造方法。
8. 前記強磁性金属層を形成する工程において、被成膜体を５０℃以上３００℃以下の条件で加熱する、請求項７に記載の磁性薄膜の製造方法。

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