JPH0997715A - 磁性薄膜およびそれを用いた薄膜磁気素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型化対応の磁気素子においては、磁性層の
高飽和磁化、軟磁性、面内一軸磁気異方性制御性を保持
しつつ、磁歪定数が小さく、磁気素子作製プロセスに磁
気特性が影響されにくい磁性薄膜が切望されている。 【解決手段】 ＦｅとＣｏよりなる遷移金属と、Ｂと、
Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎなどの４Ｂ族元素の少なくともいずれか
と、Ｓｍを含む希土類元素と、不可避の不純物でなり以
下の組成式を満たす磁性体で構成され、かつ構成領域の
全部またはー部が非晶質領域である磁性薄膜である。 組成式 （Ｆｅ_1-X Ｃｏ_X ）_1-Y （Ｂ_1-Z ４Ｂ_Z ）_Y Ｒ
Ｅａ ここで４Ｂは４Ｂ族元素，ＲＥはＳｍを含む希土類元素
を表す。また，ｘ，ｙ，ｚ，ａは ０＜ｘ＜１，０＜ｚ＜１，０．０５＜ｙ＜０．３６ ０＜ａ＜０．１

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は平面インダクタや平
面トランス等の平面型磁気素子に用いられる磁性薄膜お
よびそれを用いた薄膜磁気素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種電子機器の小形化が盛んに進
められている。しかし、電子機器の電源部の小形化はそ
れに比較して遅れている。このため、電源部が機器全体
に占める容積比率は増大するー方である。電子機器の小
形化は各種回路のＬＳＩ化によるところ大であるが、電
源部に必須であるインダクタやトランスなどの磁気部品
についてはこのような小形化・集積化が遅れており、こ
れが容積比率増大の主因となっている。

【０００３】この課題を解決するために、平面コイルと
磁性体を組み合わせた平面型の磁気素子が提案され、そ
の高性能化の検討が進められている。これらに用いられ
る磁性薄膜にはＩＭＨｚ以上の高周波数領域において低
損失かつ高飽和磁化であることが要求される。高周波領
域では透磁率は主に回転磁化過程によって得られる。理
想的な回転磁化過程を得るにはー様な面内一軸磁気異方
性の基での磁化困難軸方向の励磁が必要であり、磁化困
難軸方向の透磁率および保磁力等が重要な物性値にな
る。

【０００４】高周波領域での透磁率は試料の様々な物性
と複雑に関連した量であるが、最も相関が高いものとし
て異方性磁場が挙げられる。概ね、高周波領域での透磁
率は異方性磁場の逆数に比例する。薄膜インダクタ等の
磁気素子においては、それぞれの設計に応じて最適な透
磁率が変化する。したがって、高周波において薄膜イン
ダクタ等磁気素子に適した高透磁率を実現するには、磁
性膜面内でー軸異方性を有すること、また異方性磁場制
御性を有する事が必要である。

【０００５】さらに、薄膜インダクタ等磁気素子は磁性
膜の飽和磁化が高い程、扱える電力の増大、飽和電流の
増大が期待できるので、高飽和磁化も薄膜インダクタ等
磁気素子用磁性膜にとって必要である。なお、薄膜磁気
へッドにおいても記録密度の増大と媒体の高保磁力，高
エネルギー積化、および動作周波数の高周波化に伴い、
高周波数領域において低損失かつ高飽和磁化を兼ね備え
た磁性薄膜が有効なのは言うまでもない。これらの要求
はその他の磁気素子においても一般に共通するものであ
る。一方、薄膜インダクタ等の磁気素子中に上述の磁性
薄膜を単層または積層の磁性層として適用する際に、磁
気特性が磁性薄膜単体からある程度変化することが問題
になっている。

【０００６】一般の薄膜プロセス技術を用いて基板上に
多数の磁気素子を形成する際、磁性薄膜の下地は基板ウ
エハ以外に樹脂層や絶縁下地膜層、導電金属膜層，保護
膜層、付着膜層、パタ−ニング等のためのマスク用の層
などが１種または複数種、積層されていることが多い。
また、磁性薄膜成膜後その上部に前述の各種の層が再び
積層される場合がー般的である。これらの各層を形成す
る際にはΡＶＤやＣＶＤ、鍍金、スピンコーター等によ
る塗布、及びキュアのためのベーキング等が逐次実行さ
れる。ＰＶＤやＣＶＤにおいて高温基板成膜をしない場
合でも膜堆積時には一般にある程度の温度の上昇が生じ
る。

【０００７】さらに、電極形成や磁性膜スリット形成、
貫通孔形成、各素子分離、設計磁気回路の実現などを目
的とし、磁性膜をはじめとする各層あるいは全層のパ夕
一ニングが必要となる。−般にパタ−ニングは各種手法
でマスクを形成したのち、ドライエッチングまたはウエ
ットエッチングで実行される。

【０００８】これらの各種処理によって、磁性薄膜の表
面または界面の平坦性・平滑性が劣化したり、周期的な
凹凸が導入されたりすることで形状上の変化が生じる場
合が多い。また、磁性薄膜が表面または界面から接触力
として受ける応力の変化、及び、その応力の場所による
大きさや方向の変化、すなわち、量と方向の２者につい
ての応力の分散が生じる場合が多い。この形状上の変化
と応力の変化はどちらも磁性薄膜の磁気特性に影響を与
えるが、特に後者の応力は磁性薄膜の磁気特性の付与・
制御の観点と軟磁性維持の観点から最も注意する必要が
ある。

【０００９】磁性薄膜の磁気異方性は、応力に起因する
磁性薄膜の歪に感応し、異方的応力が生じると、これに
対応した磁気異方性が誘導される。また、上述の応力の
分散が生じると、これに対応した磁気異方性の分散が誘
導される。磁気異方性の分散は保磁力を一般には増加さ
せ、磁性薄膜の軟磁性を阻害する。これらの誘導磁気異
方性のエネルギーは磁歪定数に比例する。したがって、
薄膜磁気素子中の磁性薄膜に所望の設計通りの磁気特性
を発揮させるには、磁気素子作製プロセスによる異方的
応力を減少させるか、個々の磁気素子のスルー・プロセ
スによって生じる異方的応力を積極的に異方性制御に利
用する必要がある。しかしながら異方的応力を積極的に
異方性制御に利用することは技術的に難しくこのような
制御は現実には困難である。また、軟磁性を阻害する磁
気異方性の分散については、分散の機構を解明して分散
自体を低下させるか、本来の応力自体を減少させて対策
する必要がある。

【００１０】これらの対策は作製プロセス側からのアプ
ローチであるが、磁性薄膜の側からは磁歪定数の低減が
効果的な対策である。但し、薄膜磁気素子用の磁性薄膜
に要求される高飽和磁化および充分な面内一軸磁気異方
性を満たす材料は磁歪定数が比較的大きい場合が多い。
また、正磁歪低減のためにＳｉなどを一定量添加すると
自発磁化も減少するため、自発磁化の低下を最小限に抑
えつつ磁歪を減少させる必要がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、小型
化対応の磁気素子においては、磁性層の高飽和磁化、軟
磁性、面内一軸磁気異方性制御性を保持しつつ、磁歪定
数が小さく、磁気素子作製プロセスに磁気特性が影響さ
れにくい磁性薄膜が切望されている。

【００１２】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、特に高飽和磁化を損ねることなく磁
歪を低減させることに着目し、結果として磁性層の高飽
和磁化、軟磁性、面内一軸磁気異方性制御性を保持しつ
つ、磁歪定数が小さく、磁気素子作製プロセスに磁気特
性が影響されにくい磁性薄膜および該磁性膜を用いた薄
膜磁気素子を提供することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の磁性薄膜は、請
求項１に記載したように、ＦｅとＣｏよりなる遷移金属
と、Ｂと、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎなどの４Ｂ族元素の少なくと
もいずれかと、Ｓｍを含む希土類元素と、不可避の不純
物でなり以下の組成式を満たす磁性体で構成され、かつ
構成領域の全部またはー部が非晶質領域であることを特
徴としている。 組成式 （Ｆｅ_1-X Ｃｏ_X ）_1-Y （Ｂ_1-Z ４Ｂ_Z ）_Y Ｒ
Ｅａ ここで４Ｂは４Ｂ族元素，ＲＥはＳｍを含む希土類元素
を表す。

【００１４】また，ｘ，ｙ，ｚ，ａは ０＜ｘ＜１，０＜ｚ＜１，０．０５＜ｙ＜０．３６ ０＜ａ＜０．１ このような構成とすることにより、高飽和磁化，低損
失，及び面内一軸磁気異方性制御性を有しつつ、かつ素
子作製プロセスによって作製中または作製後に磁性薄膜
が受ける応力に対して磁気特性の変化及び劣化が少ない
軟磁性薄膜、および該磁性薄膜を用いた薄膜磁気素子を
実現するものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施するための形
態について説明する。本発明の磁性薄膜は、上述した組
成式で実質的に表される組成を有し、膜の構成領域の全
部またはー部が非晶質領域となっているものである。こ
こで、ＦｅとＣｏよりなる遷移金属は、磁性を担う成分
でありＦｅ単独、Ｃｏ単独、Ｆｅ−Ｃｏ系のいずれを用
いてもよいが、特に高飽和磁束密度が得られると共に高
いキュリー温度を示すことから、Ｆｅ−Ｃｏ系を使用す
ることが望ましい。また、Ｂと、Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎなどの
４Ｂ族元素は、磁性薄膜の非晶質化を促進するととも
に、結晶化温度、磁気異方性などの改善に寄与する成分
である。これらの成分は、余り少ないと必要な効果が得
られないが、前記の遷移金属との合計量に対して３６ａ
ｔ％を超えると自発磁化の減少が著しく所望の磁気特性
が得られにくくなる。また、Ｓｍを含む希土類元素は、
微量の添加で薄膜の軟磁気特性を実質的に損ねることな
く正磁歪を低減させる元素であるが、多く添加すると自
発磁化の低下を招くおそれがあり１０ａｔ％以下の範囲
がよい。特に、Ｓｍはこの効果が顕著であり添加する希
土類元素の全モル数の５０％以上をＳｍとすることが望
ましい。 本発明の磁性薄膜は、膜の構成領域の全部ま
たはー部が非晶質領域となっているものであるが、非晶
質化により軟磁性化と高周波領域での渦電流損を少なく
するなどの磁気特性を改善するものであり、複相非晶質
の構造とすると更にその効果が大きい。また、全領域が
非晶質の場合の他、ー部が結晶質であってもよい。さら
に、高周波領域での有効な回転磁化過程を得るにはー様
な一軸磁気異方性を有することが効果的である．図１に
本発明による薄膜の構造の模式図を示す。図１は本発明
の実施形態の一例であり各領域の形状や面積比などはこ
れに限定されるものではない。まず、高飽和磁化と軟磁
性を兼ね備えた磁性材料の母相として、Ｆｅ，Ｃｏ，
Ｂ、１種ないし２種以上の４Ｂ族元素より構成される組
成を採用する。この母相は適当な組成、適当な成膜条件
により複相非晶質または非晶質と結晶質の混相を呈し、
高飽和磁化と軟磁性に加え−軸磁気異方性の誘導・制御
が可能であり、優れた高周波磁気特性を得ることが出来
る。

【００１６】本発明においては、この母相に磁歪定数値
を低減させるためＳｍまたはＳｍを過半数の主相とする
希土類元素を添加する。Ｆｅ−Ｃｏ−Ｂ−４Ｂ族系の複
相非晶質膜、あるいは微結晶膜の場合、特に正磁歪低減
にＳｍまたはＳｍを過半数の主相とする希土類元素の添
加が有効である。ＳｍまたはＳｍを過半数の主相とする
希土類元素の添加による磁歪定数の低下は組成添加量に
ほぼ線形に比例するとみなされる。磁歪定数の絶対値を
母相以下にする観点から希土類元素の添加量は１０ａｔ
％以下が効果的である。自発磁化の低下を抑える観点か
らも、１０ａｔ％を超える希土類元素の添加は好ましく
ない。

【００１７】発明者によれば、母相を構成する４Ｂ族の
Ｓｉ及びＳｎの添加量を増加させることでも正磁歪低減
はある程度可能であるが、この場合は同時に自発磁化の
無視できない低下が生じ薄膜磁気素子用の磁性膜として
好ましくない。これに対し本発明のＳｍまたはＳｍを過
半数の主相とする希土類元素は正磁歪減少効果が大きい
ため、所望の磁歪低減のためのＳｍまたはＳｍを過半数
の主相とする希土類元素の添加による自発磁化低減は最
小限度に抑えられる。また、後述の実施例に示すよう
に、母相が有する低保磁力はＳｍまたはＳｍを過半数の
主相とする希土類元素の添加によって阻害されることは
なかった。磁性を担うＦe,Ｃｏを含む領域の局所磁気異
方性を考慮すると、ＳｍまたはＳｍを過半数の主相とす
る希土類元素の添加によって磁歪定数の絶対値が小さく
なる事により、局所磁気異方性は低減されていると考え
られる。局所磁気異方性の増大は軟磁性発現の可能性を
低くするため、ＳｍまたはＳｍを過半数の主相とする希
土類元素の添加は低保磁力維持、軟磁性維持の観点から
も好ましい。

【００１８】Ｓｍ以外の添加希土類元素として、Ｓｍが
主成分であれば、その他の希土類元素も同時に添加して
も発明の効果は維持される。発明者の知見によれば、磁
歪低減効果はＳｍが最も優れるが、Ｓｍとその他の希土
類元素を同時に添加することにより、出発材料のコスト
上昇を抑え、安価な磁性薄膜の提供、ひいては安価な薄
膜磁気素子の提供が容易となる。Ｓｍとともに磁歪低減
効果が大きいと考えられる希土類元素としてはＧｄが考
えられる。Ｓｍ等を添加する具体的な手段としては、例
えば母相の焼結体ターゲットを用意し、この上にＳｍ等
のチップまたは遷移金属とＳｍを合金化させたチップを
乗せたコ・スパッタリングや、母相にＳｍを添加した材
料を焼結化させたターゲットを用いてスパッタリングな
どで作製する。また、母相とＳｍを合わせた組成を幾つ
かのターゲットに元素毎、あるいは適当な合金組成に分
割し、多源のスパッタリング源、または多源の蒸着源、
またはこれらの複合により成膜しても良い。これらＰＶ
Ｄ以外にも、ＣＶＤや溶射、ロール、鍍金等で製作する
ことも可能である。

【００１９】さらに、上記の磁性薄膜に対し、−様な面
内一軸磁気異方性を付与する。一般には磁場中熱処理が
適しているが、−軸磁気異方性の付与の時期、方法は特
に限定されない。磁性層成膜時の磁場中成膜、磁性膜成
膜直後の磁場中熱処理、磁気素子作製後の磁場中熱処理
でもよく、成膜前の基板形状や成膜前後の応力導入、積
層後の各種エッチングによるパタ−ニングなどの機械的
方法でも良く、薄膜磁気素子作製プロセス中に異方的応
力を制御して発生させる手法でも良い。これらにより、
高周波励磁に適した磁化困難軸励磁が可能になる。

【００２０】以上の手段によって、低磁歪を有すること
で磁気素子中における他の構成要素からの応力に対して
磁気特性が影響を受けにくく、その結果制御性の優れた
一軸磁気異方性を有し高周波低損失・高飽和磁化・軟磁
性の特性を持つ磁性薄膜を得ることが出来る。さらに、
本発明の磁性薄膜を薄膜インダクタ等の磁気素子用の磁
性体として用いることで、各磁気素子の要求する最適な
磁気特性を有する磁性体が提供でき、優れた電磁気特性
を有する薄膜磁気素子を実現できる。

【００２１】

【実施例】次ぎに、本発明の具体的な実施例について述
べる。 実施例１〜６、比較例１、２ マグネトロンスパッタリング装置を用い、表１に示す成
膜条件で実施例、比較例の磁性薄膜を成膜した。基板と
して熱酸化膜付きＳｉウエハを用いた。尚、成膜直前に
下地基板をＡｒガスによるドライエッチングでクリ−ニ
ングした。成膜後、真空雰囲気・直流磁場中熱処理（印
加直流磁場: １３０ｋＡ／ｍ, 熱処理温度: ２８０℃以
上，熱処理時間２〜３時間）を施した。熱処理磁場は膜
面に平行に印加した。膜厚の測定は触針型表面粗さ／膜
厚計を用いた。組成分析はΙＣＰ発光分析法及び高周波
加熱・赤外吸収法でおこなった。結晶構造は入射角度を
２．０度に固定した薄膜Χ線回折法で確認した。自発磁
化、及び保磁力等は振動試料型磁力計による磁化曲線測
定から評価した。飽和磁歪定数は光てこ法で評価した。

【００２２】図２に同一組成の焼結体ターゲットを用い
て作製した実施例１から４と比較例１の各試料の飽和磁
歪定数のＳｍ組成依存性を示す。第３図にこれら試料の
自発磁化のＳｍ組成依存性を示す。このように、Ｓｍ添
加によって、飽和磁歪定数、自発磁化が共に減少する
が、磁歪定数の減少率は自発磁化の減少率の３倍以上で
あり、自発磁化低減を最小限に止めつつ、飽和磁歪定数
減少が得られる事が分かった。第４図にこれら試料の磁
化困難軸方向の保磁力の測定例を示す。このように、Ｓ
ｍ添加によっても高周波磁場駆動に適した十分な軟磁性
が維持される事が確認された。

【００２３】さらに、実施例５と比較例２はＦｅＣｏ合
金と各種チップを用いた場合の成膜例で、Ｓｍの有無以
外、同一の成膜方法で作製した複相非晶質磁性薄膜であ
るが、比較例２の飽和磁歪定数が４．２×１０−５の値
であるのに対し、実施例５では３．８×１０−５の値が
得られ、成膜方法によらずＳｍ添加が磁歪定数低減に効
果的であることが示された。また，実施例６では２×１
０−５の値が得られ、本発明の材料系の結晶質と非晶質
の混相においても、Ｓｍ添加試料で低い磁歪定数が得ら
れる事が明らかになった。

【００２４】

【表１】 実施例７，８、比較例３，４ このような磁性薄膜を用いて表２に示す条件で薄膜磁気
素子を作製した。まず、実施例３の磁性薄膜をＡＩＮ絶
縁膜を介して４層に積層した積層磁性薄膜を用いて実施
例７の薄膜インダクタ素子を作製したところ、インダク
タ素子完成後の磁性薄膜の異方性磁場は実施例３の本来
の異方性磁場１．１ｋＡ／ｍに対して０．３ｋＡ／ｍ以
内のずれしか生じなかった。−方、比較例１の磁性薄膜
を同様に積層して比較例３の薄膜インダクタ素子を作製
したところ、素子完成後の異方性磁場の本来の値から最
大で２ｋＡ／ｍの増加が観察された。また、この例はこ
れらの積層磁性薄膜のパタ−ニングを混酸で一括してお
こなった場合であるが、積層磁性薄膜の磁性層と絶縁層
をそれぞれ異なるエッチャントで交互エッチングしてパ
タ−ニングしたところ、実施例３の磁性薄膜を用いた実
施例８のインダクタ素子では保磁力の劣化が観察されな
かったが、比較例１の磁性薄膜を用いた比較例４のイン
ダクタ素子では保磁力が劣化し、約４００Ａ／Ｍの値を
示し、十分な軟磁性が得られなくなった。すなわち、良
好な特性を示す薄膜磁気素子は得られなかった。

【００２５】

【表２】 図５に本発明の磁性薄膜を適用した薄膜インダクタ素子
の主要要素の積層構造を示す。図５（ａ）は平面図であ
り、５１はパターニングされた磁性膜である。図５
（ｂ）は、Ａ−Ａによる断面図であり、５１は磁性膜、
５２は絶縁層、５３はコイル層、５５は基板を示す。実
施例にて明らかなように、本発明によれば低い飽和磁歪
定数を示し、かつ、−軸磁気異方性を有し、高飽和磁化
・軟磁性に優れる磁性薄膜を得ることが出来る。また、
該磁性薄膜を用いた薄膜磁気素子中では磁性薄膜本来の
磁気特性がほぼ維持されることが確認された。−方、比
較例においては飽和磁歪定数が高く、磁気素子中におい
て磁気特性が変化し、所望の磁気特性を得ることが出来
ない。。

【００２６】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、平
面インダクタや薄膜磁気へッド等の平面型磁気素子に用
いられる磁性膜に関し、高飽和磁化、軟磁性、及び、面
内一軸磁気異方性制御性を有しつつ、かつ低飽和磁歪定
数を有し、平面型磁気素子作製プロセス中、またはプロ
セス後の異方的応力や応力の分散の発生や変化対して磁
気特性が劣化しにくい磁性薄膜、および該磁性薄膜を用
いた平面型磁気素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の磁性薄膜の模式図を示す図である。

【図２】 飽和磁歪定数のＳｍ組成比に対する依存性を
示すグラフである。

【図３】 自発磁化のＳｍ組成比に対する依存性を示す
グラフである。

【図４】 磁化困難軸保磁力のＳｍ組成比に対する依存
性を示すグラフである。

【図５】 薄膜インダクタ素子の主要要素の積層構造の
概念図である。

【符号の説明】

１１………Ｆｅ，Ｃｏ，Ｓｍを共に含む非晶質領域、ま
たは結晶質領域、または非晶質と結晶質の混相領域 １２………Ｂと４Ｂ族を共に含む領域 ５１………磁性膜 ５２………絶縁層 ５３………コイル層 ５５………基板

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＦｅとＣｏよりなる遷移金属と、Ｂと、
   Ｃ、Ｓｉ、Ｓｎなどの４Ｂ族元素の少なくともいずれか
   と、Ｓｍを含む希土類元素と、不可避の不純物でなり以
   下の組成式を満たす磁性体で構成され、かつ構成領域の
   全部またはー部が非晶質領域であることを特徴とする磁
   性薄膜。 組成式 （Ｆｅ_1-X Ｃｏ_X ）_1-Y （Ｂ_1-Z ４Ｂ_Z ）_Y Ｒ
   Ｅａ ここで４Ｂは４Ｂ族元素，ＲＥはＳｍを含む希土類元素
   を表す。また，ｘ，ｙ，ｚ，ａは ０＜ｘ＜１，０＜ｚ＜１，０．０５＜ｙ＜０．３６ ０＜ａ＜０．１
2. 【請求項２】 請求項１記載の磁性薄膜において、膜中
   の希土類元素の全モル数の５０％以上がＳｍであること
   を特徴とする磁性薄膜。
3. 【請求項３】 請求項１記載の磁性薄膜において、膜中
   の希土類元素が実質的にＳｍで構成されたことを特徴と
   する磁性薄膜。
4. 【請求項４】 請求項１ないし請求項３のいずれか１項
   記載の磁性薄膜において、構成領域の全部またはー部が
   複相非晶質であることを特徴とする磁性薄膜。
5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項３のいずれか１項
   記載の磁性薄膜において、構成領域のー部が結晶質であ
   ることを特徴とする磁性薄膜。
6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれか１項
   記載の磁性薄膜において、膜内でー軸磁気異方性を有す
   る事を特徴とする磁性薄膜。
7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれか１項
   記載の磁性薄膜の少なくとも一つ、または該磁性薄膜を
   具備する積層磁性膜を構成要素として具備することを特
   徴とする薄膜磁気素子。