JP2021176184A - 面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲット - Google Patents

面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲット Download PDF

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Abstract

【課題】保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに達成することができる面内磁化膜を提供する。【解決手段】磁気抵抗効果素子１２のハードバイアス層１４として用いられる面内磁化膜であって、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲットに関し、詳細には、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、基板を加熱して行う成膜（以下、加熱成膜と記すことがある。）を行わずに実現することができるＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜、ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜多層構造、前記面内磁化膜または前記面内磁化膜多層構造を有してなるハードバイアス層に関するとともに、前記ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜、前記ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜多層構造または前記ハードバイアス層に関連する、磁気抵抗効果素子およびスパッタリングターゲットに関する。前記ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜および前記Ｐｔ−酸化物系の面内磁化膜多層構造は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層に用いることができる。
保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上であり、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるハードバイアス層であれば、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層と比べて同等程度以上の保磁力および単位面積当たりの残留磁化を有していると考えられる。本願において、面内磁化膜の「単位面積あたりの残留磁化」とは、当該面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化に、当該面内磁化膜の厚さを乗じた値のことである。
なお、本願において、ハードバイアス層とは、磁気抵抗効果を発揮する磁性層（以下、フリー磁性層と記すことがある。）にバイアス磁界を加える薄膜磁石のことである。
また、本願では、金属Ｃｏを単にＣｏと記載し、金属Ｐｔを単にＰｔと記載し、金属Ｒｕを単にＲｕと記載することがある。また、他の金属元素についても同様に記載することがある。
また、本願において、ホウ素（Ｂ）は金属元素の範疇に含める。
現在多くの分野で磁気センサが用いられているが、汎用的に用いられている磁気センサの１つに磁気抵抗効果素子がある。
磁気抵抗効果素子は、磁気抵抗効果を発揮する磁性層（フリー磁性層）と、該磁性層（フリー磁性層）にバイアス磁界を加えるハードバイアス層と、を有してなり、ハードバイアス層には、所定以上の大きさの磁界を安定的にフリー磁性層に印加できることが求められている。
したがって、ハードバイアス層には、高い保磁力および残留磁化が求められる。
しかしながら、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力は、２ｋＯｅ程度であり（例えば、特許文献１の図７）、これ以上の保磁力の実現が望まれている。
また、単位面積当たりの残留磁化は、２ｍｅｍｕ／ｃｍ2程度以上であることが望まれている（例えば、特許文献２の段落０００７）。
これらに対応できる可能性のある技術として、例えば特許文献３に記載の技術がある。特許文献３に記載の技術は、センサ積層体（フリー磁性層を備えた積層体）とハードバイアス層との間に設けたシード層（Ｔａ層と、そのＴａ層の上に形成され、面心立方（１１１）結晶構造または六方最密（００１）結晶構造を有する金属層とを含む複合シード層）により、長手方向に容易軸を向かせるように磁性材料を配向させ、ハードバイアス層の保磁力の向上を試みた手法である。しかしながら、ハードバイアス層に望まれる前記磁気特性を満たしていない。また、この手法では、保磁力向上のため、センサ積層体とハードバイアス層との間に設けたシード層を厚くする必要がある。このため、センサ積層体中のフリー磁性層への印加磁場が弱くなるという問題も抱える構造である。
また、特許文献４には、ハードバイアス層に用いる磁性材にＦｅＰｔを用いることや、Ｐｔ又はＦｅシード層を有するＦｅＰｔハードバイアス層、及びＰｔ又はＦｅのキャッピング層が記載されており、この特許文献４では、焼なまし温度が約２５０〜３５０℃である焼なましの間に、シード層及びキャッピング層内のＰｔ又はＦｅ、ならびにハードバイアス層内のＦｅＰｔが互いに混ざり合う構造が提案されている。しかしながら、このハードバイアス層の形成に必要な加熱工程においては、既に積層されている他の膜への影響を考慮する必要があり、この加熱工程は可能な限り避けるべき工程である。
特許文献５では、焼なまし温度の最適化が行われて、焼なまし温度を２００℃程度まで下げることが可能であることが示され、ハードバイアス層の保磁力が３．５ｋＯｅ以上であることが示されているが、単位面積当たりの残留磁化は１．２ｍｅｍｕ／ｃｍ2程度であり、ハードバイアス層に望まれている前記磁気特性を満たしていない。
特許文献６には、長手記録用磁気記録媒体が記載されており、その磁性層は、六方最密充填構造を有する強磁性結晶粒と、それを取り巻く主に酸化物からなる非磁性粒界とからなるグラニュラ構造であるが、このようなグラニュラ構造が磁気抵抗効果素子のハードバイアス層へ用いられた事例は無い。また、特許文献６に記載の技術は、磁気記録媒体の課題である信号対雑音比の低減を目的としており、磁性層の層間に非磁性層を用いて磁性層を多層化させているが、その上下の磁性層同士は反強磁性結合を有しており、磁性層の保磁力の向上には適さない構造となっている。
特開２００８−２８３０１６号公報 特表２００８−５４７１５０号公報 特開２０１１−００８９０７号公報 米国特許出願公開第２００９／０２７４９３Ａ１号公報 特開２０１２−２１６２７５号公報 特開２００３−１７８４２３号公報
実際の磁気抵抗効果素子への適用を視野に入れた場合、センサ積層体（フリー磁性層を備えた積層体）およびハードバイアス層は、できるだけ薄くすることが好ましく、また、加熱成膜は行わないことが好ましい。
この条件を満たした上で、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力（２ｋＯｅ程度）および単位面積当たりの残留磁化（２ｍｅｍｕ／ｃｍ2程度）を上回るハードバイアス層を得るためには、現状のハードバイアス層に用いられている元素や化合物とは異なる元素や化合物を探索していく必要があると本発明者は考え、また、酸化物をＣｏＰｔ系の面内磁化膜に適用することが有望であるのではないかと本発明者は考えた。一方、ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜中において磁性を発揮する部位は、酸化物で構成される結晶粒界ではなく、ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒であるので、ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜中の酸化物量は少ない方が、保磁力Ｈcや単位面積当たりの残留磁化Ｍrtといった磁気的特性を向上するのではないかと本発明者は考えた。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに達成することができる面内磁化膜、面内磁化膜多層構造およびハードバイアス層を提供することを課題とし、併せて、前記面内磁化膜、前記面内磁化膜多層構造または前記ハードバイアス層に関連する、磁気抵抗効果素子およびスパッタリングターゲットを提供することも補足的な課題とする。
本発明は、以下の面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲットにより、前記課題を解決したものである。
即ち、本発明に係る面内磁化膜は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜であって、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする面内磁化膜である。
ここで、本願発明に係る面内磁化膜およびそれに付随して存在する下地膜等の部材に関し、上下方向を観念する文言は、当該面内磁化膜が積層された下地膜が最も低い位置になるように該下地膜を水平方向に配置した状態を基準として、その意味内容を解釈するものとする。
また、「面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径」は、［実施例］の欄の「（Ｆ）ＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径の測定方法（実施例１〜１４、比較例１、２）」に記載した方法によって算出する。本願における他の箇所の同様の記載においても同様である。
前記面内磁化膜は、ＣｏＰｔ合金結晶粒と前記酸化物の結晶粒界とからなるグラニュラ構造を有してなるように構成してもよい。
ここで、結晶粒界とは、結晶粒の境界のことである。
前記酸化物は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂの酸化物のうちの少なくとも１種を含むものを用いてもよい。
前記面内磁化膜は、ホウ素を、金属成分の合計に対して０．５ａｔ％以上３．５ａｔ％以下含有していてもよい。
本発明に係る面内磁化膜多層構造の第１の態様は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜多層構造であって、複数の面内磁化膜と、結晶構造が六方最密充填構造である非磁性中間層と、を有してなり、前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、前記面内磁化膜は、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有しており、当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、前記複数の面内磁化膜の合計の厚さは２０ｎｍ以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造である。
本発明に係る面内磁化膜多層構造の第２の態様は、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜多層構造であって、複数の面内磁化膜と、非磁性中間層と、を有してなり、前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、前記面内磁化膜は、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有しており、当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、前記面内磁化膜多層構造は、保磁力が２．００ｋＯｅ以上であり、かつ、単位面積当たりの残留磁化が２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造である。
本願において、非磁性中間層とは、面内磁化膜同士の間に配置される非磁性層のことである。
本願において、強磁性結合とは、非磁性中間層を挟んで隣り合う磁性層（ここでは、前記面内磁化膜）のスピンが平行（同じ向き）になっているときに働く交換相互作用に基づく結合のことである。
また、本願において、面内磁化膜多層構造の「単位面積あたりの残留磁化」とは、当該面内磁化膜多層構造に含まれる面内磁化膜の単位体積当たりの残留磁化に、当該面内磁化膜多層構造に含まれる面内磁化膜の厚さの合計の値を乗じた値のことである。
前記非磁性中間層は、ＲｕまたはＲｕ合金からなることが好ましい。
前記面内磁化膜多層構造において、前記面内磁化膜は、ＣｏＰｔ合金結晶粒と前記酸化物の結晶粒界とからなるグラニュラ構造を有してなるように構成してもよい。
本発明に係る面内磁化膜多層構造の第１の態様および第２の態様において、前記酸化物は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂの酸化物のうちの少なくとも１種を含むものを用いてもよい。
前記面内磁化膜の１層あたりの厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることが標準的である。
本発明に係るハードバイアス層は、前記面内磁化膜または前記面内磁化膜多層構造を有してなることを特徴とするハードバイアス層である。
本発明に係る磁気抵抗効果素子は、前記ハードバイアス層を有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子である。
本発明に係るスパッタリングターゲットは、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の少なくとも一部として用いられる面内磁化膜を室温成膜で形成する際に用いるスパッタリングターゲットであって、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、当該スパッタリングターゲットの金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを５０ａｔ％以上８５ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを１５ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、当該スパッタリングターゲットの全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、形成する前記面内磁化膜は、保磁力が２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化が２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であることを特徴とするスパッタリングターゲットである。
本発明によれば、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに達成することができる面内磁化膜、面内磁化膜多層構造およびハードバイアス層を提供することができる。
本発明の第１実施形態に係る面内磁化膜１０を、磁気抵抗効果素子１２のハードバイアス層１４に適用している状態を模式的に示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る面内磁化膜多層構造２０を、磁気抵抗効果素子２４のハードバイアス層２６に適用している状態を模式的に示す断面図。 薄片化処理を行った後の薄片化サンプル８０の形状を模式的に示す斜視図。 走査透過電子顕微鏡を用いて撮像して取得した膜厚方向断面の観察像の一例（参考例７の観察像）。 参考例７の面内磁化膜の厚さ方向に行った（図４中の黒線に沿って行った）線分析（元素分析）の結果。 走査透過電子顕微鏡を用いて撮像して取得した面内方向断面の平面観察像の一例（実施例１の平面観察像）。 平均粒径の測定方法を説明するための模式的な平面観察像。
（１）第１実施形態
（１−１）概要
図１は、本発明の第１実施形態に係る面内磁化膜１０を、磁気抵抗効果素子１２のハードバイアス層１４に適用している状態を模式的に示す断面図である。なお、図１においては、下地膜（面内磁化膜１０は下地膜の上に形成される）の記載は省略している。
ここでは、磁気抵抗効果素子１２としてトンネル型磁気抵抗効果素子を念頭に置いて図１に示す構成の説明を行うが、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、トンネル型磁気抵抗効果素子のハードバイアス層への適用に限定されるわけではなく、例えば巨大磁気抵抗効果素子、異方性磁気抵抗効果素子のハードバイアス層への適用も可能である。
磁気抵抗効果素子１２（ここでは、トンネル型磁気抵抗効果素子）は、非常に薄い非磁性トンネル障壁層（以下、バリア層５４）によって分離された２つの強磁性層（フリー磁性層１６、ピン層５２）を有する。ピン層５２は、隣接する反強磁性層（図示せず）との交換結合により固定されることなどによって、その磁化方向が固定されている。フリー磁性層１６は、外部磁界が存在する状態で、その磁化方向を、ピン層５２の磁化方向に対して自由に回転させることができる。フリー磁性層１６が外部磁界によってピン層５２の磁化方向に対して回転すると、電気抵抗が変化するため、この電気抵抗の変化を検出することで、外部磁界を検出することができる。
ハードバイアス層１４は、フリー磁性層１６にバイアス磁界を加えて、フリー磁性層１６の磁化方向軸を安定させる役割を有する。絶縁層５０は電気的な絶縁材料で形成されており、センサ積層体（フリー磁性層１６、バリア層５４、ピン層５２）を垂直方向に流れるセンサ電流が、センサ積層体（フリー磁性層１６、バリア層５４、ピン層５２）の両側のハードバイアス層１４に分流するのを抑制する役割を有する。
図１に示すように、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、磁気抵抗効果素子１２のハードバイアス層１４として用いることができ、磁気抵抗効果を発揮するフリー磁性層１６にバイアス磁界を加えることができる。ハードバイアス層１４は、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０のみで構成されており、面内磁化膜１０の単層で構成されている。
本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、酸化物を含有し、現状の磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の保磁力と比べて同等程度以上の保磁力（２．００ｋＯｅ以上の保磁力）および単位面積当たりの残留磁化（２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上）を有する単層の面内磁化膜である。具体的には、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜であり、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下である。
（１−２）面内磁化膜１０の構成成分
本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、前述したように、金属成分としてＣｏおよびＰｔを含有し、また、酸化物を含有する。
金属Ｃｏおよび金属Ｐｔは、スパッタリングによって形成される面内磁化膜において、磁性結晶粒（微小な磁石）の構成成分となる。
Ｃｏは強磁性金属元素であり、面内磁化膜中の磁性結晶粒（微小な磁石）の形成において中心的な役割を果たす。スパッタリングによって得られる面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）の結晶磁気異方性定数Ｋuを大きくするという観点および得られる面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）の磁性を維持するという観点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のＣｏの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下としている。また、同様の点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のＣｏの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して４５ａｔ％以上７０ａｔ％以下であることが好ましく、４５ａｔ％以上６０ａｔ％以下であることがより好ましい。
Ｐｔは、所定の組成範囲でＣｏと合金化することにより合金の磁気モーメントを低減させる機能を有し、磁性結晶粒の磁性の強さを調整する役割を有する。一方、スパッタリングによって得られる面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）の結晶磁気異方性定数Ｋuを大きくして、面内磁化膜の保磁力を大きくするという機能を有する。面内磁化膜の保磁力を大きくするという観点および得られる面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）の磁性を調整するという観点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のＰｔの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下としている。また、同様の点から、本実施形態に係る面内磁化膜中のＰｔの含有割合は、当該面内磁化膜中の金属成分の合計に対して３０ａｔ％以上５５ａｔ％以下であることが好ましく、４０ａｔ％以上５５ａｔ％以下であることがより好ましい。
また、本実施形態に係る面内磁化膜１０の金属成分として、ＣｏおよびＰｔ以外に、ホウ素Ｂを０．５ａｔ％以上３．５ａｔ％以下含有させてもよい。後述する実施例で実証しているように、ホウ素Ｂを０．５ａｔ％以上３．５ａｔ％以下含有させることにより、面内磁化膜１０の保磁力Ｈcをさらに向上させる効果がある。
本第１実施形態に係る面内磁化膜１０が含有する酸化物は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂの酸化物のうちの少なくとも１種を含む。そして、面内磁化膜１０中において、前記のような酸化物からなる非磁性体によって、ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒同士が仕切られており、グラニュラ構造が形成されている。即ち、このグラニュラ構造は、ＣｏＰｔ合金結晶粒とその周囲を取り囲む前記酸化物の結晶粒界とからなる。
したがって、面内磁化膜１０中の酸化物の含有量を多くした方が磁性結晶粒同士の間を確実に仕切りやすくなり、磁性結晶粒同士を独立させやすくなるので好ましい。この観点から、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０中に含まれる酸化物の含有量（面内磁化膜１０全体における酸化物の含有量の平均値）を、３ｖｏｌ％以上にすることが標準的であり、また、同様の観点から、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０中に含まれる酸化物の含有量（面内磁化膜１０全体における酸化物の含有量の平均値）は、４ｖｏｌ％以上であることが好ましく、５ｖｏｌ％以上であることがより好ましい。
ただし、面内磁化膜１０中の酸化物の含有量（面内磁化膜１０全体における酸化物の含有量の平均値）が多くなりすぎると、酸化物がＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）中に混入してＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）の結晶性に悪影響を与えて、ＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）においてｈｃｐ以外の構造の割合が増えるおそれがある。この観点から、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０中に含まれる酸化物の含有量（面内磁化膜１０全体における酸化物の含有量の平均値）を、２５ｖｏｌ％以下にすることが標準的であり、また、同様の観点から、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０中に含まれる酸化物の含有量は、２１ｖｏｌ％以下であることが好ましく、１６ｖｏｌ％以下であることがより好ましい。
したがって、本第１実施形態においては、面内磁化膜１０中に含まれる酸化物の含有量（面内磁化膜１０全体における酸化物の含有量の平均値）を、３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下にすることが標準的であり、また、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０中に含まれる酸化物の含有量（面内磁化膜１０全体における酸化物の含有量の平均値）は、４ｖｏｌ％以上２１ｖｏｌ％以下であることが好ましく、５ｖｏｌ％以上１６ｖｏｌ％以下であることがより好ましい。
また、酸化物としてＷＯ3またはＭｏＯ3を含むと、面内磁化膜１０の保磁力Ｈcが大きくなるので、酸化物としてＷＯ3またはＭｏＯ3を含むことが好ましい。
なお、現状の面内磁化膜では、ＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）同士を仕切る粒界材料として、Ｃｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｂ等の単体元素が用いられているため、粒界材料が、ある程度、ＣｏＰｔ合金に固溶すると考えられる。このため、現状の面内磁化膜のＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）は、結晶性に悪影響を受けて飽和磁化および残留磁化が低減していると考えられ、現状の面内磁化膜は、その保磁力Ｈcおよび残留磁化の値が悪影響を受けていると考えられる。
一方、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０においては、粒界材料が酸化物であるので、粒界材料がＣｒ、Ｗ、Ｔａ、Ｂ等の単体元素の場合と比べて、粒界材料がＣｏＰｔ合金に固溶しにくい。このため、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金結晶粒（磁性結晶粒）の飽和磁化および残留磁化は大きくなり、また、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０の保磁力Ｈcおよび残留磁化は大きくなる。
（１−３）面内磁化膜１０の厚さ
面内磁化膜１０の厚さを薄くすると、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが小さくなる傾向があり、また、面内磁化膜１０の厚さを厚くすると、保磁力Ｈcが小さくなる傾向があるので、両者を両立させる観点から、面内磁化膜１０の厚さは、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下に設定することが標準的である。
（１−４）面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径
面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が大きくなると、（ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の長さ）／（ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の膜厚方向の長さ）が大きくなり、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の形状が扁平化する。これにより形状磁気異方性によって面内方向の反磁界が弱まり面内磁化膜１０の保磁力Ｈcが向上する。
また、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が大きいと、面内磁化膜１０全体に対する結晶粒界の体積分率が小さくなり、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の体積分率が大きくなり、飽和磁化Ｍsが向上し、残留磁化Ｍrが向上する。その結果、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが大きくなる。
したがって、面内磁化膜１０の保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtを大きくする観点から、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上とするのが標準的であり、１８ｎｍ以上とするのが好ましく、２０ｎｍ以上とするのがより好ましい。
一方、後述する実施例および比較例に示すように、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が３０ｎｍを超えるものは得ることができなかったので、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径の上限は３０ｎｍとする。
なお、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が大きくなると、面内磁化膜１０中の結晶粒界の体積が減少するため、面内磁化膜１０において必要な酸化物量を減らすことができる。
（１−５）下地膜
本第１実施形態に係る面内磁化膜１０を形成する際に用いる下地膜としては、面内磁化膜１０の磁性粒子（ＣｏＰｔ合金粒子）と同じ結晶構造（六方最密充填構造ｈｃｐ）である金属ＲｕまたはＲｕ合金からなる下地膜（以下、Ｒｕ系下地膜と記すことがある。）が適している。Ｒｕ系下地膜は、表面が凹凸状になっており、ＣｏＰｔ−酸化物スパッタリングターゲットでスパッタリングを行った場合、凸部に金属成分が堆積しやすく、凹部に酸化物が堆積しやすくなっている。下地膜に飛来するスパッタ粒子から見ると、下地膜の凹部は影になるため、下地膜の凸部に金属が凝固し易く、そのため酸化物は下地膜の凹部に析出するからである。
このため、Ｒｕ系下地膜の表面の凸部の大きさが大きい場合、当該Ｒｕ系下地膜の凸部に成長するＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の大きさは、大きくなる傾向がある。一方、「（１−４）面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径」に記載したように、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径を大きくすることで、面内磁化膜１０の保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtを大きくすることができるので、表面の凸部の大きさが大きいＲｕ系下地膜を、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０を形成する際に用いることが好ましい。Ｒｕ系下地膜においては、厚さが２０ｎｍ程度以上であれば、表面の凸部の大きさがある程度大きくなるので、厚さが２０ｎｍ以上のものを用いるのが好ましく、２５ｎｍ以上のものを用いるのがより好ましく、３０ｎｍ以上のものを用いるのが特に好ましい。
また、積層する面内磁化膜１０中の磁性結晶粒（ＣｏＰｔ合金粒子）を整然と面内配向させるため、用いるＲｕ下地膜またはＲｕ合金下地膜の表面には、（１０．０）面または（１１．０）面が多く配置されるようにすることが好ましい。
なお、本発明に係る面内磁化膜を形成する際に用いる下地膜は、Ｒｕ下地膜またはＲｕ合金下地膜に限定されるわけではなく、得られる面内磁化膜のＣｏＰｔ磁性結晶粒を面内配向させ、かつ、ＣｏＰｔ磁性結晶粒同士の磁気的な分離を促進させることができ、かつ、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径を大きくすることに適する下地膜であれば使用可能である。
（１−６）スパッタリングターゲット
本第１実施形態に係る面内磁化膜１０を作製する際に用いるスパッタリングターゲットは、磁気抵抗効果素子１２のハードバイアス層１４の少なくとも一部として用いられる面内磁化膜１０を室温成膜で形成する際に用いるスパッタリングターゲットであって、金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、当該スパッタリングターゲットの金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを５０ａｔ％以上８５ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを１５ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、当該スパッタリングターゲットの全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、形成する面内磁化膜は、保磁力が２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化が２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上である。後述する「（Ｅ）面内磁化膜の組成分析（参考例１〜８）」に記載しているように、作製したＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜の実際の組成（組成分析によって得られた組成）と、当該ＣｏＰｔ−酸化物系の面内磁化膜の作製に用いたスパッタリングターゲットの組成とはずれが生じるので、前記したスパッタリングターゲットに含まれる各元素の組成範囲は、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０に含まれる各元素の組成範囲とは一致していない。
このスパッタリングターゲットの構成成分（金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物）についての説明は、前記「（１−２）面内磁化膜１０の構成成分」に記載した面内磁化膜の構成成分についての説明と同様であるので、説明は省略する。
（１−７）面内磁化膜１０の形成方法
本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、前記「（１−６）スパッタリングターゲット」に記載したスパッタリングターゲットを用いてスパッタリングを行って、所定の下地膜（前記「（１−５）下地膜」に記載した下地膜）の上に成膜して形成する。なお、この成膜過程で加熱することは不要であり、本第１実施形態に係る面内磁化膜１０は、室温成膜で形成することが可能である。
（２）第２実施形態
図２は、本発明の第２実施形態に係る面内磁化膜多層構造２０を、磁気抵抗効果素子２４のハードバイアス層２６に適用している状態を模式的に示す断面図である。
以下、本第２実施形態に係る面内磁化膜多層構造２０について説明するが、面内磁化膜１０の構成成分、面内磁化膜１０の厚さ、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径、面内磁化膜１０を形成する際に用いる下地膜、面内磁化膜１０を作製する際に用いるスパッタリングターゲット、および面内磁化膜１０の形成方法については、すでに「（１）第１実施形態」において説明を行っているので、説明は省略する。
図２に示すように、本発明の第２実施形態に係る面内磁化膜多層構造２０は、第１実施形態に係る面内磁化膜１０の上に非磁性中間層２２を備え、その非磁性中間層２２の上に、面内磁化膜１０が積み重ねられた構造になっている。図２では、面内磁化膜１０を２層積み重ねただけであるが、非磁性中間層２２を間に介在させて面内磁化膜１０を３層以上積み重ねるように構成してもよい。
面内磁化膜多層構造２０において、面内磁化膜１０の１層当たりの厚さは、標準的には５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であるが、面内磁化膜１０の１層当たりの厚さは、保磁力Ｈcをより大きくする観点から、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下であることがより好ましい。また、面内磁化膜１０の合計の厚さは、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtを２．００ｍｅｕｍ／ｃｍ2以上にする観点から、標準的には２０ｎｍ以上にする。また、面内磁化膜１０の合計の厚さの上限に関しては、後述するように、非磁性中間層２２が介在することによって分離された隣り合う面内磁化膜１０同士は強磁性結合を行うため、面内磁化膜１０の合計の厚さが大きくなっても、理論上は保磁力Ｈcは小さくならず、上限はない。実際に、後述する実施例によって、面内磁化膜１０の合計の厚さが６０ｎｍまでは、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上となることを確認している。
本第２実施形態に係る面内磁化膜多層構造２０は、磁気抵抗効果素子２４のハードバイアス層２６として用いることができ、磁気抵抗効果を発揮するフリー磁性層２８にバイアス磁界を加えることができる。
非磁性中間層２２は、面内磁化膜１０同士の間に介在して、面内磁化膜１０同士を分離し、面内磁化膜を多層化する役割を有する。非磁性中間層２２を介在させて面内磁化膜を多層化することにより、残留磁化Ｍrtの値を維持したまま、保磁力Ｈcをさらに向上させることができる。
非磁性中間層２２が介在することによって分離された面内磁化膜１０同士は、スピンが平行（同じ向き）になるように配置する。このように配置することにより、非磁性中間層２２が介在することによって分離された隣り合う面内磁化膜１０同士は強磁性結合を行うため、面内磁化膜多層構造２０は、残留磁化Ｍrtの値を維持したまま、保磁力Ｈcを向上させることができ、良好な保磁力Ｈcを発現することができる。
非磁性中間層２２に用いる金属は、ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の結晶構造を損なわないようにする観点から、ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒と同じ結晶構造（六方最密充填構造ｈｃｐ）の金属にする。具体的には、非磁性中間層２２としては、面内磁化膜１０中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の結晶構造と同じ結晶構造（六方最密充填構造ｈｃｐ）である金属ＲｕまたはＲｕ合金を好適に用いることができる。
非磁性中間層２２に用いる金属がＲｕ合金の場合の添加元素としては、具体的には例えば、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｃｏを用いることができ、それらの金属の添加量の範囲は、Ｒｕ合金が六方最密充填構造ｈｃｐとなる範囲とするのがよい。
アーク溶解を行ってＲｕ合金のバルクサンプルを作製し、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ：（株）リガク製 ＳｍａｒｔＬａｂ）によってＸ線回折のピーク解析を行ったところ、ＲｕＣｒ合金においては、Ｃｒの添加量が５０ａｔ％のときに、六方最密充填構造ｈｃｐとＲｕＣｒ2の混相が確認されたので、非磁性中間層２２にＲｕＣｒ合金を用いる場合、Ｃｒの添加量は５０ａｔ％未満とするのが適当であり、４０ａｔ％未満とすることが好ましく、３０ａｔ％未満とすることがより好ましい。また、ＲｕＰｔ合金においては、Ｐｔの添加量が１５ａｔ％のときに、六方最密充填構造ｈｃｐとＰｔ由来の面心立方構造ｆｃｃの混相が確認されたので、非磁性中間層２２にＲｕＰｔ合金を用いる場合、Ｐｔの添加量は１５ａｔ％未満とするのが適当であり、１２．５ａｔ％未満とすることが好ましく、１０ａｔ％未満とすることがより好ましい。また、ＲｕＣｏ合金においては、Ｃｏの添加量に関わらず六方最密充填構造ｈｃｐを形成するが、Ｃｏを４０ａｔ％以上添加すると磁性体となるため、Ｃｏの添加量は４０ａｔ％未満とするのが適当であり、３０ａｔ％未満とすることが好ましく、２０ａｔ％未満とすることがより好ましい。
また、非磁性中間層２２の厚さは、０．３ｎｍ以上３ｎｍ以下が標準的である。
以下、本発明を裏付けるための実施例、比較例および参考例について記載する。
以下の（Ａ）では、ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜単層構造において、面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtに及ぼす影響について検討しており、以下の（Ｂ）では、ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜多層構造において、面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtに及ぼす影響について検討しており、以下の（Ｃ）では、ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜多層構造において、面内磁化膜中の酸化物含有量が、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtに及ぼす影響について検討している。さらに、以下の（Ｄ）では、ＣｏＰｔ−酸化物の面内磁化膜多層構造において、面内磁化膜１０中の酸化物をＢ2Ｏ3にした場合、および、面内磁化膜１０の金属成分としてホウ素Ｂを加えた場合について、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtを測定している。
また、以下の（Ｅ）では、作製したＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の実際の組成（組成分析によって得られた組成）と、当該ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の作製に用いたスパッタリングターゲットの組成との間のずれの程度を確認するために、参考例１〜８のＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜を取り上げて、組成分析を行った。その結果、作製された面内磁化膜の組成と当該面内磁化膜を作製するのに用いたスパッタリングターゲットの組成との間にずれが生じることが判明した。
以下の（Ａ）〜（Ｄ）で記載する実施例および比較例におけるＣｏＰｔ−酸化物の面内磁化膜の組成は、作製に用いたスパッタリングターゲットの組成に対して、以下の（Ｅ）で判明した組成のずれを補正する計算を施して、算出したものである。
また、以下の（Ｆ）では、ＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径の測定方法について具体的に説明している。
＜（Ａ）ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜単層構造において、面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtに及ぼす影響についての検討（実施例１、比較例１）＞
実施例１、比較例１では、(Ｃｏ-30Ｐｔ)−10vol%ＷＯ3スパッタリングターゲットを用いて、厚さ３０ｎｍの (Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜単層構造を作製したが、用いたＲｕ下地膜の厚さは、実施例１では３０ｎｍとし、比較例１では１０ｎｍとした。そして、実施例１、比較例１で作製した(Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜単層構造について、保磁力Ｈc、単位面積当たりの残留磁化Ｍrt、面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径を測定した。
以下、具体的に説明する。
まず、Ｓｉ基板上に、Ｒｕ下地膜を、株式会社エイコーエンジニアリング製ＥＳ−３１００Ｗを用いてスパッタリング法により、厚さ３０ｎｍ（実施例１）、厚さ１０ｎｍ（比較例１）となるように形成した。なお、本願の実施例および比較例においてスパッタリングの際に用いたスパッタリング装置は、いずれの成膜（Ｒｕ下地膜、面内磁化膜、Ｒｕ非磁性中間層）においても株式会社エイコーエンジニアリング製ＥＳ−３１００Ｗであるが、以下では装置名の記載は省略する。
実施例１では、厚さ３０ｎｍのＲｕ下地膜の上に、(Ｃｏ-30Ｐｔ)−10vol%ＷＯ3スパッタリングターゲットを用いて、厚さ３０ｎｍの (Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜単層構造をスパッタリング法で形成し、比較例１では、厚さ１０ｎｍのＲｕ下地膜の上に、(Ｃｏ-30Ｐｔ)−10vol%ＷＯ3スパッタリングターゲットを用いて、厚さ３０ｎｍの(Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜単層構造をスパッタリング法で形成した。
これらの成膜過程（Ｒｕ下地膜および面内磁化膜の成膜過程）では、いずれも基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。
作製した実施例１および比較例１の面内磁化膜単層構造のヒステリシスループを振動型磁力計（ＶＳＭ：（株）玉川製作所製 ＴＭ−ＶＳＭ２１１４８３−ＨＧＣ型）（以下、振動型磁力計と記す。）により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Ｈc（ｋＯｅ）および残留磁化Ｍr（ｍｅｍｕ／ｃｍ3）を読み取った。そして、読み取った残留磁化Ｍr（ｍｅｍｕ／ｃｍ3）に、作製したＣｏＰｔ面内磁化膜の合計厚さを乗じて、作製した面内磁化膜単層構造の単位面積当たりの残留磁化Ｍrt（ｍｅｍｕ／ｃｍ2）を算出した。
また、実施例１および比較例１の面内磁化膜単層構造において、ＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径を、以下の（Ｆ）に記載した測定方法により測定した。
実施例１および比較例１の結果を、次の表１に示す。
Figure 2021176184
表１からわかるように、実施例１の面内磁化膜は、金属Ｃｏ、金属Ｐｔ、および酸化物を含有する厚さが３０ｎｍの面内磁化膜であって、金属成分（Ｃｏ、Ｐｔ）の合計に対して、Ｃｏの含有量が４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下で、Ｐｔの含有量が２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下であり、当該面内磁化膜の全体に対して酸化物の含有量が３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下であり、当該面内磁化膜のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は２０．４ｎｍであって１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に入っている。したがって、実施例１の面内磁化膜は、本発明の範囲に含まれており、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。
一方、比較例１の面内磁化膜は、組成および厚さは、実施例１の面内磁化膜と同じであるが、比較例１の面内磁化膜のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１１．４ｎｍであって１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に入っておらず、比較例１の面内磁化膜は、本発明の範囲に含まれていない。比較例１の面内磁化膜は、保磁力Ｈcが１．８１ｋＯｅで２．００ｋＯｅ未満であり、また、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが１．３１ｍｅｍｕ／ｃｍ2で２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2未満である。比較例１の面内磁化膜のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１１．４ｎｍと小さかったため、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが小さくなったものと考えられる。
＜（Ｂ）ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜多層構造において、面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtに及ぼす影響についての検討（実施例２、３、比較例２）＞
実施例２、３、比較例２で形成した面内磁化膜多層構造は、厚さ１５ｎｍのＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜を、厚さ２ｎｍのＲｕ非磁性中間層を間に挟んで４層積み重ねた多層構造であるが、用いたＲｕ下地膜の厚さを３０ｎｍ（実施例２）、１００ｎｍ（実施例３）、１０ｎｍ（比較例１）と変化させており、実施例２、３、比較例２の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が異なるようにして実験データを取得した実施例および比較例である。
以下、具体的に説明する。
まず、Ｓｉ基板上に、Ｒｕ下地膜を、スパッタリング法により厚さ３０ｎｍ（実施例２）、１００ｎｍ（実施例３）、１０ｎｍ（比較例１）となるように形成した。
そして、形成したＲｕ下地膜の上に、厚さ１５ｎｍとなるように(Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜をスパッタリング法により形成し、形成した厚さ１５ｎｍの(Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜の上にスパッタリング法（Ｒｕ１００ａｔ％のスパッタリングターゲットを使用）によりＲｕ非磁性中間層を厚さ２ｎｍとなるように形成し、形成した厚さ２ｎｍのＲｕ非磁性中間層の上に、厚さ１５ｎｍとなるように(Ｃｏ-34.7Ｐｔ)−11.0vol%ＷＯ3面内磁化膜をスパッタリング法により形成し、これを繰り返して所定の組成のＣｏＰｔ面内磁化膜が４層積み重ねられた面内磁化膜多層構造を作製した。
これらの成膜過程（Ｒｕ下地膜、ＣｏＰｔ面内磁化膜およびＲｕ非磁性中間層の成膜過程）では、いずれも基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。
作製した実施例２、３、比較例２の面内磁化膜多層構造のヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Ｈc（ｋＯｅ）および残留磁化Ｍr（ｍｅｍｕ／ｃｍ3）を読み取った。そして、読み取った残留磁化Ｍr（ｍｅｍｕ／ｃｍ3）に、作製したＣｏＰｔ面内磁化膜の合計厚さを乗じて、作製した面内磁化膜多層構造の単位面積当たりの残留磁化Ｍrt（ｍｅｍｕ／ｃｍ2）を算出した。
また、実施例２、３、比較例２の面内磁化膜多層構造において、Ｓｉ基板側から数えて４層目のＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径を、以下の（Ｆ）に記載した測定方法により測定した。
実施例２、３、比較例２の結果を、次の表２に示す。
Figure 2021176184
表２からわかるように、実施例２、３の面内磁化膜多層構造は、厚さ１５ｎｍのＣｏＰｔ面内磁化膜を、厚さ２ｎｍのＲｕ非磁性中間層を間に挟んで４層積み重ねた面内磁化膜多層構造であり、実施例２、３の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜は、金属成分（Ｃｏ、Ｐｔ）の合計に対して、Ｃｏの含有量が４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下で、Ｐｔの含有量が２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下であり、当該面内磁化膜の全体に対して酸化物の含有量が３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下であり、当該面内磁化膜のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が１８．９ｎｍ、２２．３ｎｍであって１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に入っていて、実施例２、３の面内磁化膜多層構造は、本発明の範囲に含まれており、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。
一方、比較例２の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜は、組成、厚さ、および層数については、実施例２、３の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜と同じであるが、比較例２の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１０．８ｎｍであって１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に入っておらず、比較例２の面内磁化膜多層構造は、本発明の範囲に含まれておらず、保磁力Ｈcが１．２７ｋＯｅで２．００ｋＯｅ未満である。比較例２の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が１０．８ｎｍと小さかったため、保磁力Ｈcが小さくなったものと考えられる。
＜（Ｃ）ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜多層構造において、面内磁化膜中の酸化物含有量が、保磁力Ｈcおよび単位面積当たりの残留磁化Ｍrtに及ぼす影響についての検討（実施例４〜１１、１４）＞
実施例４〜１１、１４で形成した面内磁化膜多層構造は、厚さ１５ｎｍのＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜を、厚さ２ｎｍのＲｕ非磁性中間層を間に挟んで４層積み重ねた多層構造であり、面内磁化膜多層構造中のＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の酸化物（ＷＯ3）含有量を３．０ｖｏｌ％から２０．６ｖｏｌ％まで変化させて実験データを取得した実施例である。
以下、具体的に説明する。
まず、Ｓｉ基板上に、Ｒｕ下地膜を、スパッタリング法により厚さ６０ｎｍとなるように形成した。
そして、形成したＲｕ下地膜の上に、厚さ１５ｎｍとなるようにＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜をスパッタリング法により形成し、形成した厚さ１５ｎｍのＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の上にスパッタリング法（Ｒｕ１００ａｔ％のスパッタリングターゲットを使用）によりＲｕ非磁性中間層を厚さ２ｎｍとなるように形成し、形成した厚さ２ｎｍのＲｕ非磁性中間層の上に、厚さ１５ｎｍとなるようにＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜をスパッタリング法により形成し、これを繰り返して所定の組成のＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜が４層積み重ねられた面内磁化膜多層構造を作製した。
これらの成膜過程（Ｒｕ下地膜、ＣｏＰｔ面内磁化膜およびＲｕ非磁性中間層の成膜過程）では、いずれも基板加熱を行っておらず、室温成膜で行った。
作製した実施例４〜１１、１４の面内磁化膜多層構造のヒステリシスループを振動型磁力計により測定した。測定したヒステリシスループから、保磁力Ｈc（ｋＯｅ）および残留磁化Ｍr（ｍｅｍｕ／ｃｍ3）を読み取った。そして、読み取った残留磁化Ｍr（ｍｅｍｕ／ｃｍ3）に、作製した面内磁化膜多層構造のＣｏＰｔ面内磁化膜の合計厚さを乗じて、作製した面内磁化膜多層構造の単位面積当たりの残留磁化Ｍrt（ｍｅｍｕ／ｃｍ2）を算出した。
また、実施例４〜１１、１４の面内磁化膜単層構造において、Ｓｉ基板側から数えて４層目のＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径を、以下の（Ｆ）に記載した測定方法により測定した。
実施例４〜１１、１４の結果を、次の表３に示す。
Figure 2021176184
表３からわかるように、実施例４〜１１、１４の面内磁化膜多層構造は、厚さ１５ｎｍのＣｏＰｔ面内磁化膜を、厚さ２ｎｍのＲｕ非磁性中間層を間に挟んで４層積み重ねた面内磁化膜多層構造であり、実施例４〜１１、１４の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜は、金属成分（Ｃｏ、Ｐｔ）の合計に対して、Ｃｏの含有量が４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下で、Ｐｔの含有量が２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下であり、当該面内磁化膜の全体に対して酸化物の含有量が３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下であり、当該面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が１６．７ｎｍ〜２５．９ｎｍであって１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲に入っていて、実施例４〜１１、１４の面内磁化膜多層構造は、本発明の範囲に含まれており、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、基板加熱をしない室温成膜で実現している。
実施例４〜１１、１４の面内磁化膜多層構造は、本発明の範囲に含まれるが、表３からわかるように、酸化物（ＷＯ3）含有量が３．０〜２０．６ｖｏｌ％の範囲では、酸化物（ＷＯ3）含有量が小さい方が、保磁力Ｈcが大きくなる傾向がある。これは、酸化物（ＷＯ3）含有量が小さい方が、面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径が大きくなる傾向があることに起因していると考えられる。
＜（Ｄ）酸化物にＢ2Ｏ3を用いた場合および金属成分にホウ素Ｂを含有させた場合についての検討（実施例１２、１３）＞
実施例１２では、実施例７の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜を作製する際に用いた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−8vol%ＷＯ3スパッタリングターゲットの酸化物をＷＯ3からＢ2Ｏ3に置き替えた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−8vol%Ｂ2Ｏ3スパッタリングターゲットを用いた以外は実施例７と同様にして面内磁化膜多層構造を作製して、実施例７と同様に測定を行った。
実施例１３では、実施例１２の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜を作製する際に用いた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−8vol%Ｂ2Ｏ3スパッタリングターゲットに、金属成分としてホウ素Ｂを３ａｔ％含有させた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−3Ｂ−8vol%Ｂ2Ｏ3スパッタリングターゲットを用いた以外は実施例１２と同様にして面内磁化膜多層構造を作製して、実施例１２と同様に測定を行った。
それらの結果を、実施例７の結果とともに、次の表４に示す。
Figure 2021176184
表４からわかるように、実施例７の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜を作製する際に用いた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−8vol%ＷＯ3スパッタリングターゲットの酸化物をＷＯ3からＢ2Ｏ3に置き替えた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−8vol%Ｂ2Ｏ3スパッタリングターゲットを実施例１２で用いることにより、得られる面内磁化膜多層構造の保磁力Ｈcは１．３％程度向上し、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtは２４％程度向上した。
また、実施例１２の面内磁化膜多層構造の面内磁化膜を作製する際に用いた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−8vol%Ｂ2Ｏ3スパッタリングターゲットに、金属成分としてホウ素Ｂを３ａｔ％含有させた（Ｃｏ−40Ｐｔ）−3Ｂ−8vol%Ｂ2Ｏ3スパッタリングターゲットを実施例１３で用いることにより、得られる面内磁化膜多層構造の保磁力Ｈcは０．８％程度向上し、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtは６％程度減少した。
＜（Ｅ）面内磁化膜の組成分析（参考例１〜８）＞
参考例１〜８の面内磁化膜の組成分析を行って、作製したＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の実際の組成（組成分析によって得られた組成）と、当該ＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の作製に用いたスパッタリングターゲットの組成との間のずれの程度を確認した。以下、参考例７の面内磁化膜に対して行った組成分析の手法の手順について概要を説明した後、各手順の内容を具体的に説明する。
［手順の概要］面内磁化膜の厚さ方向に組成分析のための線分析を行い、面内磁化膜の厚さ方向断面の線分析実施箇所から、組成の変動の少ない箇所を選び出す（手順１〜４）。そして、その組成の変動の少ない箇所に含まれる任意の測定点を含むように、組成分析を行う面内磁化膜の面内方向に左右に補助線を引き、その補助線上１００ｎｍの直線領域について、組成分析のための線分析を行う（手順５）。そして、検出された元素ごとに、１６７点の測定点についての検出強度の平均値を算出して、面内磁化膜の組成を決定する（手順６）。以下、手順１〜６の内容を具体的に説明する。
［手順１］組成分析の対象となる面内磁化膜を面内方向と直交する方向（面内磁化膜の厚さ方向）に、平行な２面で切断するとともに、得られた２つの平行な切断面の間の距離が３０ｎｍ程度となるまで、ＦＩＢ法（μ−サンプリング法）により薄片化処理を行う。この薄片化処理を行った後の薄片化サンプル８０の形状を、図３に模式的に示す。図３に示すように、薄片化サンプル８０の形状は概ね直方体形状である。前記２つの平行な切断面の間の距離が３０ｎｍ程度であり、直方体形状の薄片化サンプル８０の面内方向の１辺の長さは３０ｎｍ程度であるが、他の２辺の長さは、走査透過電子顕微鏡による観察が可能であれば、適宜に定めてよい。
［手順２］手順１で得られた薄片化サンプル８０の切断面（面内磁化膜の厚さ方向の切断面）を、１００ｎｍの長さを２ｃｍまで拡大観察可能な（２０万倍まで拡大観察可能な）走査透過電子顕微鏡を用いて撮像し、観察像を取得する。得られる観察像は長方形であるが、観察対象の面内磁化膜の最上面と切断面（面内磁化膜の厚さ方向の切断面）とが交わる部位の線が、長方形の観察像の長手方向になるように撮像する。得られた観察像の一例（参考例７の観察像）を図４に示す。面内磁化膜の観察像の取得においては、株式会社日立ハイテクノロジーズ製Ｈ−９５００を用いた。
［手順３］手順２で得られた観察像から、面内磁化膜に含まれる任意の点を選び（図４において黒丸８２で示す）、その点から、観察像の長手方向に左右１０ｎｍの位置に点をそれぞれ付す（図４において白丸８４で示す）。そして、黒丸８２の点を通るように面内磁化膜の厚さ方向に、元素分析のための線分析を行うとともに、白丸８４の点を通るように面内磁化膜の厚さ方向に、元素分析のための線分析を行って、３つの直線（黒丸８２の点を通る厚さ方向の１つの直線および白丸８４の点を通る厚さ方向の２つの直線）について、面内磁化膜の厚さ方向に元素分析のための線分析（上から下に向かう方向に走査）を行う。この元素分析のための線分析を行うに際し、前記３直線の線分析の走査範囲を、原則として面内磁化膜の厚さ方向の全範囲（組成分析の対象が面内磁化膜多層構造の場合は、最上層の面内磁化膜から最下層の面内磁化膜までの全範囲）とすることができるように、１つの黒丸８２の点および２つの白丸８４の点を選び出すことが必要である。
面内磁化膜の組成分析においては、元素分析手法としてエネルギー分散型Ｘ線分析法（ＥＤＸ）を採用し、元素分析装置として日本電子株式会社製ＪＥＭ−ＡＲＭ２００Ｆを用いた。そして、具体的な分析条件を次のようにした。即ち、Ｘ線検出器をＳｉドリフト検出器とし、Ｘ線取出角を２１．９°とし、立体角を約０．９８ｓｒとし、各元素に応じ一般的に適切な分光結晶を用い、測定時間１秒/点とし、走査点間隔を０．６ｎｍとし、照射ビーム径を約０．２ｎｍφとした。以下、本段落に記載の条件を、「手順３の分析条件」と記すことがある。
図４（参考例７の観察像）中の黒線（黒丸８２の点を通る面内磁化膜の厚さ方向の線）に沿って行った線分析（元素分析）の結果を図５に示す。図５において、縦軸は各元素についての検出強度、横軸は走査位置である。図５内の凡例に示す各元素は、十分な検出強度を確認できた元素であり、この参考例７の場合、十分な検出強度を確認できた元素は、Ｃｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｏ、Ｒｕであった。また、この参考例７の組成分析においては、Ｃｏ、Ｏの検出にはＫα１線を選択し、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｗの検出にはＬα１線を選択した。また、各検出強度においては、事前に測定したブランク測定における検出強度を差し引く補正を施した。図４の線分析の最終端（最下端）は、Ｓｉ基板である。この箇所は理論上Ｓｉおよび表面酸化によるＯ以外は検出されない。そのため、この箇所で検出されたＳｉ、Ｏ以外の検出値は当該装置における不可避な検出誤差値と考えられるので、この値より検出強度が大きな値を示した場合にのみ、当該元素の存在を示すものとした。
参考例７は面内磁化膜単層構造であり、組成が（Ｃｏ−３０Ｐｔ）−１０ｖｏｌ％ＷＯ3であるスパッタリングターゲットを用いて、厚さ３０ｎｍの面内磁化膜を成膜した。また、最上層には面内磁化膜の酸化防止を目的としてＴａ層を１０ｎｍ設け、この層の成膜には１００ａｔ％Ｔａのスパッタリングターゲットを用いた。
図５に示す線分析の結果からわかるように、面内磁化膜においては主にＣｏ、Ｐｔ、Ｗ、Ｏが確認され、下地膜においては主にＲｕ、酸化防止層には主にＴａが確認された。面内磁化膜と接する各層の界面には、成膜中におけるスパッタ熱によって、上下に隣り合う各層の元素がお互いに拡散している状態が一部に確認されるが、面内磁化膜の各主要元素の分布をみる限り、おおよそ設計した通りの成膜が行われていることを確認することができた。
［手順４］手順３で行った線分析（面内磁化膜の厚さ方向に元素分析のために行った線分析）の結果から、組成の変動の少ない測定点の集合箇所を選び出す。組成の変動の少ない測定点の集合箇所は、次の条件ａ〜ｃを満たす測定点の集合箇所のことである。
条件ａ）手順３で行った３つの直線の線分析のうちのいずれかについての測定点であって、ＣｏおよびＰｔの検出強度の合計が３００カウントを超える測定点であること。
条件ｂ）当該測定点でのＣｏおよびＰｔの検出強度の合計をＸカウント、当該測定点での測定を行った後の次の測定点（当該測定点から０．６ｎｍ下方に離れて隣り合う測定点）でのＣｏおよびＰｔの検出強度の合計をＹカウントとしたとき、
Ｙ／Ｘ−１＜０．０５
を満たすこと。
条件ｃ）条件ａおよびｂを満たす５点以上の連続する測定点であること。
条件ａ〜ｃを満たす測定点の集合箇所は、５点以上の連続する測定点であるので、０．６ｎｍ×４＝２．４ｎｍ以上の直線領域となる。したがって、条件ａ〜ｃを満たす測定点の集合箇所は、２．４ｎｍ以上の範囲で、安定してＣｏおよびＰｔのうちの少なくともいずれか一方が検出される直線領域である。
［手順５］手順４で選び出した測定点の集合から任意の１つの測定点を選択して、面内磁化膜の組成分析のための基準点とする（図４において二重白丸８６で示す）。そして、その基準点を含むように、組成分析を行う面内磁化膜の面内方向（図４の観察像の長手方向）に左右に補助線（図４において黒破線８８）を引き、その補助線上の１００ｎｍの直線領域（図４において白破線９０で示す。）について、手順３の分析条件と同様の分析条件で、組成分析を行う。組成分析の対象部位となる白破線９０は、先に行った厚さ方向の線分析によって生じたコンタミネーションを避ける観点から、厚さ方向の線分析の箇所（図４において白線８４Ａに対し１０ｎｍ以上離れた距離（図４において両端に矢印を付した白線９２で示す。）となるように設定した。この組成分析では、１００ｎｍの直線領域について、線分析を、走査点間隔０．６ｎｍで行うので、合計で１６７点の測定点における分析結果が得られる。
［手順６］検出された元素ごとに、１６７点の測定点についての検出強度（カウント数）の平均値を算出する。検出された各元素の検出強度（カウント数）の平均値の比が、当該面内磁化膜の各元素の組成比となる。
なお、ＥＤＸにおける分析においては、酸素（Ｏ）等の軽元素の蛍光Ｘ線が、白金（Ｐｔ）等の重元素の蛍光Ｘ線に吸収されることは避けられないが、本発明に係る面内磁化膜においては、酸素（Ｏ）等の軽元素と白金（Ｐｔ）等の重元素とが混在する。このため、酸素（Ｏ）に関しては、酸化物として存在する金属（参考例７ではＷ）が全て適切に酸化した状態（参考例７ではＷＯ3）になっているものとして、当該面内磁化膜の組成を決定した。
参考例１〜８の面内磁化膜の作製に用いたスパッタリングターゲットの組成と、参考例１〜８の面内磁化膜についての組成分析の結果を、次の表５に示す。
Figure 2021176184
表５に示すように、スパッタリングターゲットの組成と、当該スパッタリングターゲットを用いて作製した面内磁化膜の組成との間にずれが生じるので、このずれを補正して、前記（Ａ）〜（Ｃ）で記載した実施例および比較例におけるＣｏＰｔ−ＷＯ3面内磁化膜の組成を決定している。
なお、実施例１２、１３では、面内磁化膜にホウ素（Ｂ）やＢ2Ｏ3を添加しているが、ホウ素（Ｂ）は原子番号の小さい軽元素であるため、ＥＤＸにおける分析では検出することができない。このため、実施例１２、１３における面内磁化膜の組成は、ＣｏおよびＰｔの組成比は確定できるが、ホウ素（Ｂ）やＢ2Ｏ3の含有量は確定できない。
また、図４において、符号８２、８４、８４Ａ、８６、８８、９０、９２で示す丸印や直線等は、組成分析の方法を説明するために便宜的に付したものであり、実際に測定を行った箇所と対応しているわけではない。
＜（Ｆ）ＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径の測定方法（実施例１〜１４、比較例１、２）＞
実施例１〜１４、比較例１、２において、ＣｏＰｔ面内磁化膜中のＣｏＰｔ合金磁性結晶粒の面内方向の平均粒径の測定を行った。以下、行った測定の手法の手順について概要を説明した後、各手順の内容を具体的に説明する。ここでは実施例１における測定結果に基づいて説明する。ここでの説明においては、ＣｏＰｔ合金磁性結晶粒を「磁性粒子」と記して説明を行う。
［手順の概要］面内磁化膜の厚さ方向に組成分析のための線分析を行い、面内磁化膜の厚さ方向断面の線分析実施箇所から、組成の変動の少ない箇所を選び出す（手順１〜４）。そして、その組成の変動の少ない箇所が最表層となるように薄片化処理を行う（最表層となる面は面内方向の面である。）。その最表層の面内方向の面の２箇所以上について走査透過電子顕微鏡で平面観察像を取得する（手順５）。得られた各平面観察像に、１辺の長さが５０ｎｍの正方形が９つ描かれるように長さ１５０ｎｍの直線を縦横に４本ずつ引き、合計で８本の直線に対して、切断法による粒径測定を行う。この粒径測定を２箇所以上の平面観察像に対して行い、全ての平面観察像についての粒径測定の結果を平均した粒径を面内方向の平均粒径とする（手順６）。
手順１〜４によって組成の変動の少ない箇所を選び出す手法は、前述した「（Ｅ）面内磁化膜の組成分析（参考例１〜８）」の手順１〜４と同様であるので、以下、手順５、６の内容を具体的に説明する。
［手順５］手順１〜４によって選び出した組成の変動の少ない箇所（面内磁化膜の厚さ方向の箇所）が最表層となるように薄片化処理を行う。薄片化処理を行った後の面内磁化膜の厚さが１０〜２０ｎｍ程度となっている箇所の最表層の面内方向の面を、３０ｎｍの長さを２ｃｍまで拡大するように走査透過電子顕微鏡を用いて撮像し、３０ｎｍを４７２ピクセル（画素）で示す画素数に変換して、平面観察像のデジタルデータを得る。この平面観察像のデジタルデータは、薄片化処理を行った同一サンプルの少なくとも２箇所以上で取得する。得られた平面観察像の一例（実施例１の平面観察像）を図６に示す。面内磁化膜の平面観察像の取得においては、株式会社日立ハイテクノロジーズ製Ｈ−９５００を用い、加速電圧２００ｋＶにて観察を行った。なお、非磁性粒界材である酸化物は、軽元素である酸素を多く含むため比較的白色に撮像されやすく、重元素であるＰｔを多く含む磁性層は比較的黒色に撮像されやすいので、これらのことを考慮して、コントラストおよび明度を適切に調整する。コントラストおよび明度を適切に調整することにより、例えば図６に示すような平面観察像を取得することができる。
［手順６］手順５で得られた各平面観察像に、１辺の長さが５０ｎｍの正方形が９つ描かれるように長さ１５０ｎｍの直線３００を縦横に４本ずつ引き、合計で８本の直線３００（図６においては白破線で示す。）それぞれに対して、後述する切断法による粒径測定を行い、これら８本の直線３００に対してそれぞれ平均粒径を求め、８本の直線３００に対してそれぞれ求めた平均粒径を平均した平均粒径をこの平面観察像（図６）における平均粒径とする。そして、手順５で取得した平面観察像の全てに対して前述の粒径測定を行い、手順５で取得した平面観察像の平均粒径の全てを平均した平均粒径をこのサンプルの面内磁化膜における面内方向の平均粒径とする。
切断法について、図７に示す平面観察像の模式図を用いて具体的に説明する。
まず、図７に示す平面観察像中に存在する磁性粒子３０２を後述の方法で特定し、平面観察像中の領域を、磁性粒子３０２および磁性粒子３０２以外（つまり粒界材の部位）に分類する。そして、直線３００（図７においては黒線で示す。）に接触している磁性粒子３０２の数ｎで直線３００の長さＬを除した値を、その直線３００についての面内方向の平均粒径とする。
磁性粒子の特定には、画像解析ソフトＩｍａｇｅＪ１．４４ｐを用いる。平面観察像（図６）の画像データを前記画像解析ソフトに読み込ませ、平面観察像（図６）中の１ピクセル四方毎の明暗強度を０から２５５段階に篩い分け（０を白色、２５５を黒色とする。）、明暗強度が９０以上である箇所を磁性粒子の一部と判断する２値化処理（磁性粒子の一部と判断された画素（明暗強度が９０以上である画素）を「１」とし、明暗強度が８９以下である画素を「０」とする処理）を行う。
次に、前記２値化処理を行った平面観察像に、図６に示すように、１辺の長さが５０ｎｍの正方形が９つ描かれるように長さ１５０ｎｍの直線３００を縦横に４本ずつ引き、合計で８本の直線３００を引く。そして、直線３００と接触している画素について、２値化処理をした値（１または０）を取得する。
そして、最後に補正として、「１」から「０」になった画素を含み、連続して「０」が７画素以上続く場合のみ、それらの画素の値を「０」のままに維持し、連続して「０」が７画素以上続かない場合は、それらの画素の値を「０」から「１」に変更する補正を行う。これは、隣接する磁性粒子３０２同士の間の間隔（即ち、非磁性材料による結晶粒界の幅）３０４が、６画素分の長さ（（３０ｎｍ／４７２ピクセル）×６ピクセル＝約０．３８ｎｍ）以下の場合、隣接する磁性粒子３０２同士は磁気的に結合するという考え（隣接する磁性粒子３０２同士の間の間隔３０４が、約０．３８ｎｍ以下の場合、隣接する磁性粒子３０２同士は磁気的には１つの粒子とみなせるという考え）に基づくものである。
なお、図６において、符号３００で示す直線は、磁性粒子の平均粒径の測定方法を説明するために便宜的に付したものであり、実際に測定を行った箇所と対応しているわけではない。
本発明に係る面内磁化膜、面内磁化膜多層構造、ハードバイアス層、磁気抵抗効果素子、およびスパッタリングターゲットは、保磁力Ｈcが２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化Ｍrtが２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であるという磁気的性能を、加熱成膜を行わずに達成することができ、産業上の利用可能性を有する。
１０…面内磁化膜
１２、２４…磁気抵抗効果素子
１４、２６…ハードバイアス層
１６、２８…フリー磁性層
２０…面内磁化膜多層構造
２２…非磁性中間層
４０…下地膜
５０…絶縁層
５２…ピン層
５４…バリア層
８０…薄片化サンプル
８２…黒丸（面内磁化膜に含まれる任意の点）
８４…白丸（黒丸８２から観察像の長手方向に左右１０ｎｍの位置の点）
８４Ａ…白線
８６…二重白丸（面内磁化膜の組成分析のための基準点）
８８…黒破線（二重白丸８６（基準点）から観察像の長手方向に引いた補助線）
９０…白破線（黒破線８８（補助線）上の１００ｎｍの直線領域）
９２…両端に矢印を付した白線（白線８４Ａに対し１０ｎｍ以上離れた距離を示す）
３００…直線
３０２…磁性粒子
３０４…隣接する磁性粒子３０２同士の間の間隔（非磁性材料による結晶粒界の幅）

Claims (13)

  1. 磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜であって、
    金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、厚さが２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、
    当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、
    当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、
    当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする面内磁化膜。
  2. ＣｏＰｔ合金結晶粒と前記酸化物の結晶粒界とからなるグラニュラ構造を有してなることを特徴とする請求項１に記載の面内磁化膜。
  3. 前記酸化物は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂの酸化物のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の面内磁化膜。
  4. 前記面内磁化膜は、ホウ素を、金属成分の合計に対して０．５ａｔ％以上３．５ａｔ％以下含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の面内磁化膜。
  5. 磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜多層構造であって、
    複数の面内磁化膜と、
    結晶構造が六方最密充填構造である非磁性中間層と、
    を有してなり、
    前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、
    前記面内磁化膜は、
    金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、
    当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、
    当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有しており、
    当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、
    前記複数の面内磁化膜の合計の厚さは２０ｎｍ以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造。
  6. 磁気抵抗効果素子のハードバイアス層として用いられる面内磁化膜多層構造であって、
    複数の面内磁化膜と、
    非磁性中間層と、
    を有してなり、
    前記非磁性中間層は、前記面内磁化膜同士の間に配置されており、かつ、前記非磁性中間層を挟んで隣り合う前記面内磁化膜同士は強磁性結合をしており、
    前記面内磁化膜は、
    金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、
    当該面内磁化膜の金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを４５ａｔ％以上８０ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを２０ａｔ％以上５５ａｔ％以下含有し、
    当該面内磁化膜の全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有しており、
    当該面内磁化膜の磁性結晶粒の面内方向の平均粒径は１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であり、
    前記面内磁化膜多層構造は、保磁力が２．００ｋＯｅ以上であり、かつ、単位面積当たりの残留磁化が２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であることを特徴とする面内磁化膜多層構造。
  7. 前記非磁性中間層は、ＲｕまたはＲｕ合金からなることを特徴とする請求項５または６に記載の面内磁化膜多層構造。
  8. 前記面内磁化膜は、ＣｏＰｔ合金結晶粒と前記酸化物の結晶粒界とからなるグラニュラ構造を有してなることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の面内磁化膜多層構造。
  9. 前記酸化物は、Ｔｉ、Ｓｉ、Ｗ、Ｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｂの酸化物のうちの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項５〜８のいずれかに記載の面内磁化膜多層構造。
  10. 前記面内磁化膜の１層あたりの厚さは、５ｎｍ以上３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項５〜９のいずれかに記載の面内磁化膜多層構造。
  11. 請求項１〜４のいずれかに記載の面内磁化膜または請求項５〜１０のいずれかに記載の面内磁化膜多層構造を有してなることを特徴とするハードバイアス層。
  12. 請求項１１に記載のハードバイアス層を有してなることを特徴とする磁気抵抗効果素子。
  13. 磁気抵抗効果素子のハードバイアス層の少なくとも一部として用いられる面内磁化膜を室温成膜で形成する際に用いるスパッタリングターゲットであって、
    金属Ｃｏ、金属Ｐｔおよび酸化物を含有してなり、
    当該スパッタリングターゲットの金属成分の合計に対して、金属Ｃｏを５０ａｔ％以上８５ａｔ％以下含有し、金属Ｐｔを１５ａｔ％以上５０ａｔ％以下含有し、
    当該スパッタリングターゲットの全体に対して前記酸化物を３ｖｏｌ％以上２５ｖｏｌ％以下含有し、
    形成する前記面内磁化膜は、保磁力が２．００ｋＯｅ以上で、かつ、単位面積当たりの残留磁化が２．００ｍｅｍｕ／ｃｍ2以上であることを特徴とするスパッタリングターゲット。
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