JP4948475B2

JP4948475B2 - 低抵抗グラニュラ膜及びその製造方法

Info

Publication number: JP4948475B2
Application number: JP2008136799A
Authority: JP
Inventors: 昌廣川村; 晴彦藤本; 洋文福井; 和博副島; 智正高塚; 知文大場; 俊英須藤; 寛充佐々木; 聡和賀
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2008-05-26
Filing date: 2008-05-26
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2028-05-26
Also published as: JP2009283847A

Description

本発明はグラニュラ膜及びその製造方法に関し、特にＧＩＧ（Granular In Gap）素子に用いる低抵抗のグラニュラ膜及びその製造方法に関する。

磁気センサ、エンコーダなどのような非接触センサ用のセンサとして、ＧＩＧ素子を用いることが開発されている。ＧＩＧ素子は、絶縁体で構成された膜（バリア層）中に、強磁性体の微粒子（グラニュール）が分散してなるグラニュラ膜を用いて構成されている。このようなグラニュラ膜としては、フッ化物、例えばＭｇＦ₂を絶縁体として用いた膜にＦｅ系やＣｏ系などの強磁性体の微粒子を分散させてなるグラニュラ膜が開示されている（特許文献１，２）。
特開２００１−９４１７５号公報特開２００３−２５８３３３号公報

ＧＩＧ素子の素子抵抗は絶縁体のバリア層の比抵抗に依存する。上記のようにＭｇＦ₂をバリア層の絶縁体として場合、その比抵抗が１Ｅ８μΩ・ｃｍ以上と高いので、ＧＩＧ素子を用いることができる非接触センサの分野が限られていた。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い磁気抵抗効果（ＭＲ効果）を維持しつつ、より低抵抗であるグラニュラ膜を提供することを目的とする。

本発明の低抵抗グラニュラ膜は、（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層と、前記ＭｇＯバリア層中に分散された強磁性体微粒子と、を具備することを特徴とする。この構成によれば、（１１１）配向を有するＭｇＯがフッ化物系の絶縁体に比べて比抵抗が４桁程度低いので、高い磁気抵抗効果を維持しつつ、より低抵抗を実現することができる。

本発明の低抵抗グラニュラ膜の製造方法は、ＭｇＯターゲット及び強磁性体ターゲットを備え、基板に対してＭｇＯ及び強磁性体をスパッタリングするスパッタリング装置において、プラズマ干渉状態を最適化した状態で、前記基板上に（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層と、前記ＭｇＯバリア層中に分散された強磁性体微粒子と、を含む低抵抗グラニュラ膜を形成することを特徴とする。この方法によれば、高い磁気抵抗効果を維持しつつ、より低抵抗を実現できる低抵抗グラニュラ膜を得ることができる。

本発明のＧＩＧ素子は、上記低抵抗グラニュラ膜を用いてなることを特徴とする。この構成によれば、より広い分野の非接触センサに適用することが可能となる。

本発明の低抵抗グラニュラ膜は、（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層と、前記ＭｇＯバリア層中に分散された強磁性体微粒子と、を具備するので、高い磁気抵抗効果を維持しつつ、より低抵抗を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の低抵抗グラニュラ膜は、（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層と、前記ＭｇＯバリア層中に分散された強磁性体微粒子と、を具備することを特徴とする。

強磁性体微粒子の強磁性体としては、Ｆｅ，Ｃｏ，ＣｏＦｅなどを挙げることができる。また、強磁性体微粒子の粒径としては、比抵抗、△ＭＲなどを考慮すると、１ｎｍ〜４ｎｍであることが好ましい。また、強磁性体とＭｇＯの組成比は、比抵抗、△ＭＲなどを考慮すると、２０原子％〜３５原子％であることが好ましい。なお、強磁性体微粒子の粒径や強磁性体とＭｇＯの組成比は、後述するスパッタリングの成膜条件を制御することにより調整することができる。

図１は、本発明の低抵抗グラニュラ膜を製造する際に用いるスパッタリング装置の一例を示す図である。図１に示すマグネトロンスパッタリング装置は、チャンバ１の上面にターゲット取り付け台２が設けられており、ターゲット取り付け台２上にバリア層用ターゲット（ＭｇＯ）３と、強磁性体（例えば、ＦｅＣｏ）用ターゲット４とが取り付けられている。強磁性体用ターゲット４は、下部シールド５及び上部シールド６によりシールドされている。

一方、チャンバ１内には、バリア層用ターゲット３及び強磁性体用ターゲット４に対向するように基板８を載置する載置台７が設置されている。そして載置台７上に基板８が載置されている。基板８の上方、すなわち基板８とバリア層用ターゲット３及び強磁性体用ターゲット４との間にはシャッタ９が配設されている。前記下部シールド５は、シャッタ９上に設けられている。

このような構成を有するマグネトロンスパッタリング装置において、載置台７を矢印方向に回転させながら、ＭｇＯ及び強磁性体を基板８上にスパッタリングすることにより、基板上にグラニュラ膜が形成される。このグラニュラ膜においては、ＭｇＯで構成されたバリア層中に強磁性体微粒子が分散された形態をとり、バリア層がトンネル障壁とするトンネル磁気抵抗効果を発現する。

トンネル障壁であるバリア層を構成する材料の結晶配向性が良好でないと電子の散乱により磁気抵抗効果（△ＭＲ）が低下することが分っている。したがって、高い△ＭＲを維持するためには、バリア層を構成する材料の結晶配向性を改善する必要がある。また、グラニュラ膜を用いたＧＩＧ素子の素子抵抗は、グラニュラ膜のバリア層の比抵抗及び強磁性体微粒の粒径及び分散状態に依存する。本発明者らは、これらの点に着目し、スパッタリング成膜におけるプラズマ干渉状態を最適化することにより、（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層で、ＭｇＯの結晶配向性、ＭｇＯと強磁性体の組成比、強磁性体の粒径などを最適化できることを見出し本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、スパッタリング成膜におけるプラズマ干渉状態を最適化して、（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層で、ＭｇＯの結晶配向性、ＭｇＯと強磁性体の組成比、強磁性体の粒径などを最適化することにより、高い磁気抵抗効果を維持しつつ、より低抵抗を実現する低抵抗グラニュラ膜を得ることである。

スパッタリング成膜においてプラズマ干渉状態を最適化するためには、基板とターゲットとの間の距離、強磁性体用ターゲットのシールド構造、放電出力、及び基板公転数などを最適化する必要がある。なお、マグネトロンスパッタリングのＭｇＯターゲットのマグネットは、ターゲット表面の漏洩磁束密度を考慮して作製することが望ましい。

ＭｇＯ配向性が（１１１）配向であるようなＭｇＯグラニュラ膜の作製には、ターゲット面上での漏洩磁束密度が図２に示すようにすることが好ましい（ターゲット径＝８インチφ）。また、強磁性体用ターゲットのシールド構造については、図１に示すように、強磁性体に対するプラズマ状態をＭｇＯに対するプラズマ状態から分離できる構造であれば良い。また、基板公転数については、比抵抗、△ＭＲなどを考慮すると、３ｒｐｍ〜１２ｒｐｍであることが好ましい。

このような方法により、（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層を形成した低抵抗グラニュラ膜は、（１１１）配向を有するＭｇＯがフッ化物系の絶縁体に比べて比抵抗が４桁程度低いので、高い磁気抵抗効果を維持しつつ、より低抵抗を実現することができる。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
（実施例）
図１に示すマグネトロンスパッタリング装置を用いてタンデム式で基板上にグラニュラ膜を形成した。このとき、バリア層の材料としてＭｇＯを用い、強磁性体としてＦｅＣｏを用いた。基板−ターゲット間距離を８５ｍｍとし、放電出力をＦｅＣｏ１２０Ｗ、ＭｇＯ１０００Ｗとし、基板公転数を５ｒｐｍとした。このような条件でプラズマ干渉状態を最適化することにより、グラニュラ膜のバリア層においては、（１１１）配向のＭｇＯが形成された。また、グラニュラ膜における強磁性体／ＭｇＯの組成比は２５．７原子％であり、強磁性体微粒子の粒径は２ｎｍ〜５ｎｍであった。

この実施例のグラニュラ膜をＸ線回折法により測定した。その結果を図４に示す。図４から分るように、ＭｇＯ（１１１）にピークが見られ、バリア層が（１１１）配向のＭｇＯで構成されていた。また、このグラニュラ膜の複数のサンプルについて、△ＭＲ及び比抵抗を求めた。その結果を図５に示す。図５から分るように、実施例のグラニュラ膜は、△ＭＲ＝１０．２％で、比抵抗＝４Ｅ４μΩ・ｃｍであり、高△ＭＲで低抵抗のものであった。このようなグラニュラ膜をＧＩＧ素子に用いることにより、素子抵抗が１０ｋΩ以下となり、より広い分野の非接触センサに適用することが可能となる。

（比較例１）
図１に示すマグネトロンスパッタリング装置を用いてタンデム式で基板上にグラニュラ膜を形成した。このとき、バリア層の材料としてＭｇＯを用い、強磁性体としてＦｅＣｏを用いた。基板−ターゲット間距離を８５ｍｍとし、放電出力をＦｅＣｏ１７０Ｗ、ＭｇＯ１０００Ｗとし、基板公転数を７ｒｐｍとした。このような条件を用いることにより、グラニュラ膜のバリア層においては、（１００）配向のＭｇＯが形成された。また、グラニュラ膜における強磁性体／ＭｇＯの組成比は２５．８原子％であり、強磁性体微粒子の粒径は２ｎｍ〜５ｎｍであった。

この比較例１のグラニュラ膜をＸ線回折法により測定した。その結果を図３に示す。図３から分るように、ＭｇＯ（１００）にピークが見られ、バリア層が（１００）配向のＭｇＯで構成されていた。また、このグラニュラ膜の複数のサンプルについて、△ＭＲ及び比抵抗を求めた。その結果を図５に示す。図５から分るように、比較例１のグラニュラ膜は、△ＭＲが５％以下であり、高△ＭＲで低抵抗のものではなかった。

（比較例２）
図１に示すマグネトロンスパッタリング装置を用いてタンデム式で基板上にグラニュラ膜を形成した。このとき、バリア層の材料としてＭｇＦ₂を用い、強磁性体としてＦｅＣｏを用いた。基板−ターゲット間距離を１０５ｍｍとし、放電出力をＦｅＣｏ２５０Ｗ、ＭｇＦ₂ ４００Ｗとし、基板公転数を１１ｒｐｍとした。また、グラニュラ膜における強磁性体／ＭｇＦ₂の組成比は２５．８原子％であり、強磁性体微粒子の粒径は２ｎｍ〜５ｎｍであった。

このグラニュラ膜の複数のサンプルについて、△ＭＲ及び比抵抗を求めた。その結果を図５に示す。図５から分るように、比較例２のグラニュラ膜は、△ＭＲは１０％に達するが、比抵抗が１Ｅ８μΩ・ｃｍ以上であり、高△ＭＲであるが高抵抗のものであった。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した数値や材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の低抵抗グラニュラ膜を製造する際に用いるスパッタリング装置の一例を示す図である。基板−ターゲット間距離と漏洩磁束密度との間の関係を示す図である。（１００）配向のＭｇＯのＸ線回折チャートを示す図である。（１１１）配向のＭｇＯのＸ線回折チャートを示す図である。グラニュラ膜の△ＭＲ及び比抵抗を示す図である。

符号の説明

１チャンバ
２ターゲット取り付け台
３バリア層用ターゲット
４強磁性体用ターゲット
５下部シールド
６上部シールド
７載置台
８基板
９シャッタ

Claims

（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層と、前記ＭｇＯバリア層中に分散された強磁性体微粒子と、を具備することを特徴とする低抵抗グラニュラ膜。
ＭｇＯターゲット及び強磁性体ターゲットを備え、基板に対してＭｇＯ及び強磁性体をスパッタリングするスパッタリング装置において、プラズマ干渉状態を最適化した状態で、前記基板上に（１１１）配向を有するＭｇＯバリア層と、前記ＭｇＯバリア層中に分散された強磁性体微粒子と、を含む低抵抗グラニュラ膜を形成することを特徴とする低抵抗グラニュラ膜の製造方法。
請求項１記載の低抵抗グラニュラ膜を用いてなることを特徴とするＧＩＧ素子。