JP5765721B2 - 高い垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜、その製造方法及び用途 - Google Patents
高い垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜、その製造方法及び用途 Download PDFInfo
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Description
本発明は、磁気記録媒体や磁気メモリに利用できる高い垂直磁気異方性を示す極薄の磁化膜の素子構造、その製造方法及び用途に関するものである。
近年、磁化の向きを情報の記憶ビットとして用いる磁性材料は、高性能の不揮発性メモリへ応用できるとして期待が高まっている。とくに、スピントルクと呼ばれる現象を用いて、電気的に磁性体中の磁化を制御する技術が（スピン注入磁化反転）開発されつつある（非特許文献１、２）。スピントルクを用いると、巨大磁気抵抗素子やトンネル磁気抵抗素子、強磁性体細線の磁化状態を電流・電界で制御することができる。
また最近では、極薄の磁性層を用いて、電流誘起実効磁場による磁化制御機構が報告されており、さらなる低電力の磁化制御手法の確立が期待されている（非特許文献３）。電流誘起実効磁場は、磁性層の両界面に異物質を用い、磁性層の厚さを薄くすることで発現する現象（ラシュバ効果など）や、磁性層に隣接する非磁性層におけるスピンホール効果によるものだと考えられている。
磁性層にＣｏＦｅＢ系の遷移金属合金、磁性層と接する一方の層をＭｇＯなどの酸化物層、もう一方をＴａなどのシード層とするＣｏＦｅＢ系垂直磁化膜はトンネル磁気抵抗素子に用いられる構造であり（非特許文献４）、また電流誘起実効磁場が発生する系である（非特許文献５）。電流誘起実効磁場を用いれば、低電流で磁性層の磁化を制御することが可能となることがこれまでにわかっている。
スピン注入磁化反転や電流誘起実効磁場を有効に利用するためには、磁性層の膜厚が薄ければ薄い方が良い。しかしながら、これまでの研究からＣｏＦｅＢなどの磁性層の膜厚を１．５ｎｍ以下、特に１ｎｍ以下にすると、磁化と磁気異方性が減少してしまい、磁性層として利用できないことがわかっている。
Ｓ．Ｆｕｋａｍｉ ｅｔ ａｌ．， ＶＬＳＩ Ｔｅｃｈ． Ｓｙｍｐ., Ｄｉｇ． Ｔｅｃｈ． Ｐａｐｅｒｓ, ２３０, （２００９）．
Ｌ．Ｔｈｏｍａｓ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＤＭ１１−５３５，（２０１１）．
Ｉ．Ｍ．Ｍｉｒｏｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．９，２３０（２０１０）．
Ｓ．Ｉｋｅｄａ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔ．Ｍａｔｅｒ．９，７２１（２０１０）．
Ｔ．Ｓｕｚｕｋｉ ｅｔ ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．９８，１４２５０５（２０１１）．
本発明の目的は、磁性層が１.５ ｎｍ以下の膜厚において大きな磁化と垂直磁気異方性を有する素子構造、その製造方法及び用途を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、シード層／磁性層／酸化物層を基本構造とする極薄垂直磁化膜（磁性層の膜厚が１．５ｎｍ以下である垂直磁化膜）において、シード層に少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物、磁性層にＣｏＦｅＢ、酸化物層にＭｇＯを用いることで上記課題を解決しうることを見出し、本発明に至った。
即ち、本発明は、下記［１］から[１３]のいずれかに関する。
［１］
基板上にシード層、磁性層、及び酸化物層が設けられる積層膜を含む構成を有する垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、該シード層が少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物を含み、磁性層がＣｏＦｅＢ合金を含み、酸化物層がＭｇＯを含むことを特徴とする、上記極薄垂直磁化膜。
［２］
前記ＢＣＣ金属の窒化物がＴａの窒化物である、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［３］
前記Ｔａの窒化物の成分組成が、Ｔａ：Ｎ＝１：ｘ（０＜ｘ＜０．６）である、［２］に記載の極薄垂直磁化膜。
［４］
前記磁性層の膜厚が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることを特徴とする、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［５］
前記ＣｏＦｅＢ合金の成分組成（ＣｏｘＦｅ１−ｘ）ｙＢ１−ｙが、０＜ｘ≦０．８でかつ、ｙ≧０．７の関係を有することを特徴とする、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［６］
垂直磁気異方性が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有することを特徴とする、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［７］
前記磁性層との界面に垂直磁気異方性を有することを特徴とする、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
［８］
［１］に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、前記シード層をスパッタ法により成膜する時のＡｒとＮ２のガス流量体積比Ｑ（Ｑ＝Ｎ２流量／ガス（Ａｒ＋Ｎ２）全流量、と定義）が、０＜Ｑ≦０．０５の関係を有することを特徴とする、極薄垂直磁化膜の製造方法。
［９］
［８］に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、成膜後１５０oＣ以上３５０oＣ以下の温度範囲で熱処理を施すことを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
［１０］
［１］から［７］のいずれかに記載の極薄垂直磁化膜で構成されることを特徴とする磁気デバイス。
［１１］
磁気記録メモリである、［１０］に記載の磁気デバイス。
［１２］
磁気センサーである、［１０］に記載の磁気デバイス。
［１３］
基板上にシード層、磁性層、及び酸化物層が設けられる積層膜を含む構成を有する垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、該シード層が少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物を含み、磁性層がＢを含むアモルファス遷移金属合金を含むことを特徴とする、上記極薄垂直磁化膜。
［１］
基板上にシード層、磁性層、及び酸化物層が設けられる積層膜を含む構成を有する垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、該シード層が少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物を含み、磁性層がＣｏＦｅＢ合金を含み、酸化物層がＭｇＯを含むことを特徴とする、上記極薄垂直磁化膜。
［２］
前記ＢＣＣ金属の窒化物がＴａの窒化物である、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［３］
前記Ｔａの窒化物の成分組成が、Ｔａ：Ｎ＝１：ｘ（０＜ｘ＜０．６）である、［２］に記載の極薄垂直磁化膜。
［４］
前記磁性層の膜厚が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることを特徴とする、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［５］
前記ＣｏＦｅＢ合金の成分組成（ＣｏｘＦｅ１−ｘ）ｙＢ１−ｙが、０＜ｘ≦０．８でかつ、ｙ≧０．７の関係を有することを特徴とする、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［６］
垂直磁気異方性が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有することを特徴とする、［１］に記載の極薄垂直磁化膜。
［７］
前記磁性層との界面に垂直磁気異方性を有することを特徴とする、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
［８］
［１］に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、前記シード層をスパッタ法により成膜する時のＡｒとＮ２のガス流量体積比Ｑ（Ｑ＝Ｎ２流量／ガス（Ａｒ＋Ｎ２）全流量、と定義）が、０＜Ｑ≦０．０５の関係を有することを特徴とする、極薄垂直磁化膜の製造方法。
［９］
［８］に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、成膜後１５０oＣ以上３５０oＣ以下の温度範囲で熱処理を施すことを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
［１０］
［１］から［７］のいずれかに記載の極薄垂直磁化膜で構成されることを特徴とする磁気デバイス。
［１１］
磁気記録メモリである、［１０］に記載の磁気デバイス。
［１２］
磁気センサーである、［１０］に記載の磁気デバイス。
［１３］
基板上にシード層、磁性層、及び酸化物層が設けられる積層膜を含む構成を有する垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、該シード層が少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物を含み、磁性層がＢを含むアモルファス遷移金属合金を含むことを特徴とする、上記極薄垂直磁化膜。
本発明によると、磁性層の膜厚が０．３ｎｍ以上、１．５ｎｍ以下の薄膜において、大きな磁化と垂直磁気異方性を有する素子構造を作製することができ、磁気記録メモリや磁気センサーなどの磁気デバイスに利用できる。
本発明の一実施形態において、図１に示すシード層／磁性層／酸化物層を基本構造として含む薄膜において、シード層に少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物、磁性層にＣｏＦｅＢ、酸化物層にＭｇＯを用いることが好ましい。ＢＣＣ金属の窒化物としては、Ｔａの窒化物例えばＴａＮが好ましい。Ｔａの窒化物の成分組成は、体積組成比で、Ｔａ：Ｎ＝１：ｘ（０＜ｘ＜０．６）であることが好ましい。ＢＣＣ金属窒化物成膜時の窒素ガス流量体積比を５％未満に抑え、成膜後に１５０ｏＣ以上３５０ｏＣ以下の熱処理を行うことが好ましい。これにより、磁性層厚が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下においても垂直磁気異方性が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有する垂直磁化膜を得ることが容易となる。
前記の極薄垂直磁化膜の作製には、一般的は薄膜製膜技術、例えば、スパッタ法や蒸着法等を利用できる。このうち、スパッタ法が最も好ましい。極薄垂直磁化膜は基板上にシード層／磁性層／酸化物層の組み合わせが設けられる多層膜で構成される。極薄垂直磁化膜を構成する物質の組合せとして、多様な組み合わせがあるが、そのなかで好ましい組み合わせはＴａＮ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯである。
シード層には、少なくとも１種のＢＣＣ金属の窒化物（例えば、ＴａＮやＴｉＮ、ＡｌＮやＣｒＮなど）が利用でき、より好ましくはＴａＮである。大きな垂直磁気異方性を得るためには、酸化物層であるＭｇＯと格子整合することが好ましく、ＢＣＣ金属を利用するのが適当である。磁性層にはＢを含むアモルファス遷移金属合金（たとえばＣｏＦｅＢやＦｅＢ、ＮｉＦｅＢなど）が利用でき、より好ましくはＣｏＦｅＢである。酸化物層にはＭｇＯやＡｌ２Ｏ３などが利用でき、より好ましくはＭｇＯである。基板は半導体やガラス基板が好ましく、より好ましくはシリコン基板である。
多層膜の構成は基板側からシード層／磁性層／酸化物層がこの順で設けられる積層膜を含む構成が好ましいが、基板側から酸化物層／磁性層／シード層がこの順で設けられる積層膜を含む構成でも同様の効果が得られる。なお、上記多層膜を用いてデバイスを作成するにあたっては、適宜他の機能を有する層を更に設けることができる。例えば、酸化物層の上に、トンネル磁気抵抗素子の参照層となる磁性層を設けてもよく、更にその上にキャップ層を設けてもよい。参照層としては、ＣｏＦｅＢを含んでいる層が好ましく、キャップ層としてはＴａＮからなる層が好ましい。そのようなデバイス構造の一例を図３に示す。
磁性層の膜厚は１．５ｎｍ以下、０．３ｎｍ以上の範囲が好ましい。０．３ｎｍ以上の膜厚では、磁性層の磁化がゼロとなる現象を有効に抑制でき、１．５ｎｍ以下の膜厚では垂直磁気異方性を有効に実現することができるためである。シード層の膜厚は均一な膜を形成するために０．５ｎｍ以上でかつ、磁性記憶層への平坦性に悪影響を及ぼさない２０ｎｍ以下が好ましく、より好ましくは１０ｎｍ以下である。酸化物層の膜厚は、均一な膜を形成するために０．５ｎｍ以上でかつ、スパッタ時の磁性層へのダメージを軽減するために１０ｎｍ以下であることが好ましい。
シード層がＴａＮで構成される場合、ＴａＮの成分組成は、Ｔａ：Ｎ＝１：ｘ（０＜ｘ＜０．６）であることが好ましい。ｘを０より大きくすることで、磁性層の磁化の減少を防ぐことができ、ｘが０．６未満では垂直磁気異方性を有効に実現することができるためである。
磁性層の（ＣｏｘＦｅ１−ｘ）ｙＢ１−ｙ合金の成分組成は、１＞ｙ≧０．７で、かつ、０＜ｘ≦０．８の関係を保つことが好ましい。Ｂが原子量比３０％以下では磁化の減少が抑制され、Ｃｏ／Ｆｅの比が４以下では垂直磁気異方性の減少が抑制される。
シード層の製膜にあたってはＡｒとＮ２のガス雰囲気中での反応性スパッタが利用できる。反応性スパッタでは、ＡｒとＮ２のガス流量体積比Ｑ（Ｑ＝Ｎ２流量／ガス（Ａｒ＋Ｎ２）全流量）が、シード層の成分組成比に対応する。なお、シード層の成分組成を制御することができれば、製造方法はアルゴンと窒素の混成ガス雰囲気中での反応性スパッタに限定する必要はなく、例えば窒化物ターゲットをスパッタする方法や、ＢＣＣ金属をスパッタし、その後窒化する方法も利用できる。
作製した多層膜は熱処理を行うのが好ましいが、多層膜作製直後に磁性層が垂直磁気異方性を示す場合には熱処理を行う必要はない。熱処理の温度範囲は１００℃から５００℃が好ましく、保持時間は酸化物層ＭｇＯが結晶化すれば特に限定はされないが、通常３０分以上が好ましい。１００℃以上、より好ましくは１５０℃以上の加熱でＭｇＯが結晶化し、５００℃以下、より好ましくは３５０℃の加熱であれば、多層膜内の原子の拡散を防ぐことができる。
なお、下記（１）から（７）もそれぞれ本発明の好ましい実施形態の一つである。
（１）
基板上にシード層、磁性層、酸化物層で構成される垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、シード層がＴａＮ、磁性層がＣｏＦｅＢ合金、酸化物層がＭｇＯであることを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（２）
上記（１）に記載の極薄垂直磁化膜であって、磁性層の膜厚が０．３ｎｍ以上１．５ ｎｍ以下であることを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（３）
上記（１）に記載の磁性層のＣｏＦｅＢ合金の成分組成（ＣｏｘＦｅ１−ｘ）ｙＢ１−ｙが、０＜ｘ≦０．８でかつ、ｙ≧０．７の関係を有することを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（４）
上記（１）に記載の極薄垂直磁化膜であって、垂直磁気異方性が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有することを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（５）
基板上にシード層、磁性層、酸化物層で構成される垂直磁気異方性を示す上記（１）に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、シード層ＴａＮをスパッタ法により成膜する時のＡｒとＮ２のガス流量比（Ｑと定義）が、０＜Ｑ≦０．２の関係を有することを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
（６）
上記（５）に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、成膜後１５０oＣ以上３５０oＣ以下の温度範囲で熱処理を施すことを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
（７）
上記（１）から（４）のいずれかに記載の極薄垂直磁化膜で構成されることを特徴とする面内電流印加型の磁気記録メモリや磁気デバイス。
なお、下記（１）から（７）もそれぞれ本発明の好ましい実施形態の一つである。
（１）
基板上にシード層、磁性層、酸化物層で構成される垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、シード層がＴａＮ、磁性層がＣｏＦｅＢ合金、酸化物層がＭｇＯであることを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（２）
上記（１）に記載の極薄垂直磁化膜であって、磁性層の膜厚が０．３ｎｍ以上１．５ ｎｍ以下であることを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（３）
上記（１）に記載の磁性層のＣｏＦｅＢ合金の成分組成（ＣｏｘＦｅ１−ｘ）ｙＢ１−ｙが、０＜ｘ≦０．８でかつ、ｙ≧０．７の関係を有することを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（４）
上記（１）に記載の極薄垂直磁化膜であって、垂直磁気異方性が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有することを特徴とする極薄垂直磁化膜。
（５）
基板上にシード層、磁性層、酸化物層で構成される垂直磁気異方性を示す上記（１）に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、シード層ＴａＮをスパッタ法により成膜する時のＡｒとＮ２のガス流量比（Ｑと定義）が、０＜Ｑ≦０．２の関係を有することを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
（６）
上記（５）に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、成膜後１５０oＣ以上３５０oＣ以下の温度範囲で熱処理を施すことを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
（７）
上記（１）から（４）のいずれかに記載の極薄垂直磁化膜で構成されることを特徴とする面内電流印加型の磁気記録メモリや磁気デバイス。
以下、実施例を参照しながら本発明をより詳細に説明する。なお、本発明はいかなる意味においても以下の実施例により限定されるものではない。
<実施例１>
マグネトロンスパッタ法を用いてシリコン基板上に薄膜を作製した。シリコン基板として、１００ｎｍの熱酸化膜がついているものを用いた。スパッタは５ｘ１０−７Ｐａ以下の超高真空中にしてから行った。Ｔａ、又はＴａＮ、ＣｏＦｅＢの製膜にはＤＣスパッタ（１０Ｗ）、ＭｇＯの製膜にはＲＦスパッタ（１００Ｗ）を用いた。Ａｒガス圧はＴａ製膜時が１．１Ｐａ、ＣｏＦｅＢ製膜時が０．４Ｐａ、ＭｇＯ製膜時が１．３ Ｐａであった。ＴａＮの製膜にあたっては全ガス圧を１．１Ｐａで固定し、ＡｒとＮ２のガス流量体積比Ｑ（Ｑ＝Ｎ２流量／ガス（Ａｒ＋Ｎ２）全流量）を調節してＴａＮ（Ｑ＝０のときはＴａ）を成膜した。成膜したＣｏＦｅＢの組成には、ターゲットの組成を用いた。シード層／磁性層／酸化物層を成膜した後、酸化物層を水分などから保護するために、１ｎｍのＴａ層を保護層として成膜した。
<実施例１>
マグネトロンスパッタ法を用いてシリコン基板上に薄膜を作製した。シリコン基板として、１００ｎｍの熱酸化膜がついているものを用いた。スパッタは５ｘ１０−７Ｐａ以下の超高真空中にしてから行った。Ｔａ、又はＴａＮ、ＣｏＦｅＢの製膜にはＤＣスパッタ（１０Ｗ）、ＭｇＯの製膜にはＲＦスパッタ（１００Ｗ）を用いた。Ａｒガス圧はＴａ製膜時が１．１Ｐａ、ＣｏＦｅＢ製膜時が０．４Ｐａ、ＭｇＯ製膜時が１．３ Ｐａであった。ＴａＮの製膜にあたっては全ガス圧を１．１Ｐａで固定し、ＡｒとＮ２のガス流量体積比Ｑ（Ｑ＝Ｎ２流量／ガス（Ａｒ＋Ｎ２）全流量）を調節してＴａＮ（Ｑ＝０のときはＴａ）を成膜した。成膜したＣｏＦｅＢの組成には、ターゲットの組成を用いた。シード層／磁性層／酸化物層を成膜した後、酸化物層を水分などから保護するために、１ｎｍのＴａ層を保護層として成膜した。
熱処理は真空チャンバー内（１ｘ１０−４Ｐａ以下）で行った。熱処理は所定の温度で１時間行った。
磁化曲線は振動型磁化測定装置（ＶＳＭ）を用いて測定した。膜面垂直方向（垂直磁化曲線）と水平方向（面内磁化曲線）の磁化成分を測定した。磁気異方性定数は垂直磁化曲線と面内磁化曲線が囲う面積から求めた（図２参照）。正の値は垂直磁気異方性を表し、負の値は面内磁気異方性を指す。
図２中、Ｈ⊥がヒステリシスを有することを明示するため、横軸を拡大した図を併せて示した。なお、本実施例は原理確認のための大面積のものであり、実際にデバイスとして使用する際には、素子を微細化するためヒステリシスの開き、及び角型はより明確なものとなる。
図２中、Ｈ⊥がヒステリシスを有することを明示するため、横軸を拡大した図を併せて示した。なお、本実施例は原理確認のための大面積のものであり、実際にデバイスとして使用する際には、素子を微細化するためヒステリシスの開き、及び角型はより明確なものとなる。
図２にＴａＮ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａ多層膜の磁化曲線を示す。各層の膜厚はＴａＮが４ｎｍ、ＣｏＦｅＢが０．６ｎｍ、ＭｇＯが２ｎｍ、Ｔａが１ｎｍである。ここでＴａ層は保護層として設けられたものである。ＣｏＦｅＢの組成は（Ｃｏ０．２５Ｆｅ０．７５）０．８Ｂ０．２である。ＴａＮ成膜時のスパッタチャンバー内の窒素ガス流量体積比Ｑは０．０１３とした。成膜後、３００ｏＣで１時間、真空チャンバー内で熱処理を行った。
図２に示す磁化曲線から、磁性層ＣｏＦｅＢの膜厚が０．６ｎｍでも垂直磁気異方性を示すことが見て取れる。磁化の大きさを表す飽和磁化は１０３０ｅｍｕ／ｃｍ３で、磁気異方性定数は２．７６ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３である。
表１には、ＣｏＦｅＢ層の磁気異方性定数と飽和磁化のシード層成膜時の窒素ガス流量比依存性を示す。膜構成はＴａＮ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａであり、各層の膜厚は、ＴａＮが１ｎｍ、ＭｇＯが２ｎｍ、Ｔａが１ｎｍである。ＣｏＦｅＢの膜厚は０．６ｎｍと１．２ｎｍの２種類を比較し、組成は（Ｃｏ０．２５Ｆｅ０．７５）０．８Ｂ０．２とした。成膜後、３００ｏＣで１時間熱処理を行った。ＴａＮ成膜時のスパッタチャンバー内のＮ２ガスとＡｒガスの流量体積比Ｑを変えた５つの場合を比較する。
表１の結果から、シード層成膜に当たり、ガス雰囲気中に窒素を導入することで、ＣｏＦｅＢの膜厚が薄い場合（０．６ｎｍ）でも磁気異方性定数が正の値をとる（垂直磁気異方性をもつ）ことがわかる。また、飽和磁化もガス雰囲気中に窒素を導入しない場合（比較例）と比べて、よりバルクに近い値（参考：（Ｃｏ２５Ｆｅ７５）８０Ｂ２０：１４９０ｅｍｕ／ｃｍ３、Ｃｏ２５Ｆｅ７５：１８７０ ｅｍｕ／ｃｍ３）を示す。一方、窒素ガス流量体積比Ｑを０．０５超にすると、ＣｏＦｅＢ層の磁気異方性が負になる。
ＴａＮ中の窒素量はガス流量体積比に比例するが、装置の構成や仕様によって一定のガス流量でもＴａＮ中の窒素量が変わることがあるため、垂直磁気異方性定数が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有する構造を作製するに必要なガス流量体積比Ｑは０＜Ｑ＜０．０５が望ましい。また、熱処理温度によって、判定基準を満たす窒素ガス流量体積比Ｑと磁性層の膜厚は変わる。例えば、熱処理温度が３００度、Ｑが０．０２５の場合、磁性層の膜厚が１．２ｎｍで判定基準を満たさない場合があるが、熱処理温度を大きくすると判定基準を満たす。
透過型電子顕微鏡解析から、磁気異方性が最大となる窒素ガス流量体積比Ｑが０．０１３の時、シード層のＴａＮはアモルファス構造であることがわかっている。同様に、シード層がＴａの場合もアモルファス構造であった。
Ｒｕｔｈｅｒｆｏｒｄ Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ法を用いて組成分析を行ったところ、窒素ガス流量比がＱ＝０．０５でシード層ＴａＮの体積組成はＴａ：Ｎ＝１：０．６、Ｑ＝０．０２５でＴａ：Ｎ＝１：０．５５であった。これにより、大きな垂直磁気異方性を得るには、シード層ＴａＮの体積組成比（Ｔａ：Ｎ＝１：ｘ）が０＜ｘ＜０．６の範囲内にあることが望ましい。
表２にＣｏＦｅＢ層の磁気異方性定数と飽和磁化の熱処理温度依存性を示す。膜構成はシード層／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａである。熱処理は成膜後、指定の温度で１時間行った。各層の膜厚はシード層が１ｎｍ、ＣｏＦｅＢは０．６ｎｍ、ＭｇＯが２ｎｍ、Ｔａが１ｎｍである。ＣｏＦｅＢの組成は（Ｃｏ０．２５Ｆｅ０．７５）０．８Ｂ０．２である。ＴａＮ成膜時のスパッタチャンバー内の窒素ガス流量体積比Ｑは０．０１３と０．０２５の２種類を示した。また、比較例として、シード層がＴａの場合を一緒に示した。
表２の結果から、ＣｏＦｅＢの下部層にＴａＮを用いることにより、Ｔａを用いた場合と比較して、熱耐性が向上していることが見て取れる。成膜時の窒素ガス流量体積比Ｑが０．０１３のＴａＮをシード層に用いた場合、磁気異方性定数が熱処理温度２７５ｏＣで最も大きな値（１．６６ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３）を示し、また飽和磁化も熱処理前と比較して増加した。
表３にＣｏＦｅＢ層の磁気異方性定数と飽和磁化のＣｏＦｅＢ層膜厚依存性を示す。膜構成はＴａＮ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａであり、成膜後、３００ｏＣで１時間熱処理を行った。ＣｏＦｅＢの組成は（Ｃｏ０．２５Ｆｅ０．７５）０．８Ｂ０．２である。各層の膜厚はＴａＮが４ｎｍ、ＭｇＯが２ｎｍ、Ｔａが１ｎｍである。ＴａＮ成膜時のスパッタチャンバー内の窒素ガス流量体積比Ｑは０．００７、０．０１３、０．０２５と０．１０の４種類を示した。全ガス圧は１．１ Ｐａとした。また比較例として、Ｔａをシード層に用いたＴａ／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａの飽和磁化、磁気異方性定数のＣｏＦｅＢ層膜厚依存性の結果も示した。熱処理は同様に３００ｏＣで１時間、ＣｏＦｅＢの組成も（Ｃｏ０．２５Ｆｅ０．７５）０．８Ｂ０．２であり、各層の膜厚はシード層Ｔａが１ｎｍ、ＭｇＯが２ｎｍ、Ｔａ（キャップ層）が１ｎｍである。
なお、熱処理なしの場合には、酸化物層ＭｇＯが結晶化しなかったために磁気異方性定数が負となったものと思われる。
なお、熱処理なしの場合には、酸化物層ＭｇＯが結晶化しなかったために磁気異方性定数が負となったものと思われる。
表３の結果から、シード層にＴａＮを用いることにより、Ｔａを用いた場合と比較して、ＣｏＦｅＢ層の膜厚が小さい領域でも０．１ｘ１０６ｅｍｕ／ｃｍ３以上の正の磁気異方性定数と、２００ｅｍｕ／ｃｍ３を超える飽和磁化を示す素子構造を作製できることがみてとれる。成膜時の窒素ガス流量体積比Ｑが小さいものの方が大きな磁気異方性定数が得られる。熱処理温度によって、判定基準を満たす窒素ガス流量体積比Ｑと磁性層の膜厚は変わる。例えば、熱処理温度が３００度、Ｑが０．０２５の場合、磁性層の膜厚が０．５ｎｍ、１．２−１．５ｎｍで判定基準を満たさない場合があるが、熱処理温度を大きくすると判定基準を満たす。
表４にシード層成膜時の窒素ガス流量体積比Ｑを変えたときのシード層／ＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ／Ｔａ積層構造における界面磁気異方性を示す。シード層ＴａＮ（Ｑ＞０）の膜厚は４ｎｍ、比較例として示したシード層Ｔａ（Ｑ：０）の膜厚は１ｎｍである。成膜後、３００ｏＣで１時間熱処理を行った。ＣｏＦｅＢの組成は（Ｃｏ０．２５Ｆｅ０．７５）０．８Ｂ０．２である。
表４の結果から、シード層成膜時の窒素ガス流量体積比Ｑが０．００７の場合に界面磁気異方性が最大値をとることがわかる。シード層にＴａＮ（Ｑ＝０．００７）を用いることで、ＣｏＦｅＢ層の界面垂直磁気異方性が増大していることを示唆している。シード層にＴａＮを用いた場合、磁性層の膜厚が１．５ｎｍ以下（０．３ｎｍ以上）であっても大きな垂直磁気異方性を示すのは、磁性層の界面垂直磁気異方性が増加するためである。
本発明は、極薄垂直磁化膜を用いて作製する磁気センサーや磁気記録メモリなどの磁気デバイスに用いることが予想され、高い産業上の利用可能性を有する。
Claims (12)
- 基板上にシード層、磁性層、及び酸化物層が設けられる積層膜を含む構成を有する垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、該シード層が少なくとも１種のＴａの窒化物を含み、磁性層がＣｏＦｅＢ合金を含み、酸化物層がＭｇＯを含むことを特徴とする、上記極薄垂直磁化膜。
- 前記Ｔａの窒化物の成分組成が、Ｔａ：Ｎ＝１：ｘ（０＜ｘ＜０．６）である、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
- 前記磁性層の膜厚が０．３ｎｍ以上１．５ｎｍ以下であることを特徴とする、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
- 前記ＣｏＦｅＢ合金の成分組成（ＣｏｘＦｅ１−ｘ）ｙＢ１−ｙが、０＜ｘ≦０．８でかつ、ｙ≧０．７の関係を有することを特徴とする、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
- 垂直磁気異方性が０．１ｘ１０６ｅｒｇ／ｃｍ３以上でかつ、飽和磁化が２００ｅｍｕ／ｃｍ３以上の磁気特性を有することを特徴とする、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
- 前記磁性層の界面に垂直磁気異方性を有することを特徴とする、請求項１に記載の極薄垂直磁化膜。
- 請求項１に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、前記シード層をスパッタ法により成膜する時のＡｒとＮ２のガス流量体積比Ｑ（Ｑ＝Ｎ２流量／ガス（Ａｒ＋Ｎ２）全流量、と定義）が、０＜Ｑ＜０．０５の関係を有することを特徴とする、極薄垂直磁化膜の製造方法。
- 請求項７に記載の極薄垂直磁化膜の製造方法であって、成膜後１５０oＣ以上３５０oＣ以下の温度範囲で熱処理を施すことを特徴とする極薄垂直磁化膜の製造方法。
- 請求項１から６のいずれかに記載の極薄垂直磁化膜で構成されることを特徴とする磁気デバイス。
- 磁気記録メモリである、請求項９に記載の磁気デバイス。
- 磁気センサーである、請求項９に記載の磁気デバイス。
- 基板上にシード層、磁性層、及び酸化物層が設けられる積層膜を含む構成を有する垂直磁気異方性を示す極薄垂直磁化膜であって、該シード層が少なくとも１種のＴａの窒化物を含み、磁性層がＢを含むアモルファス遷移金属合金を含むことを特徴とする、上記極薄垂直磁化膜。
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