[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

JP5067739B2 - 磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス - Google Patents

磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス Download PDF

Info

Publication number
JP5067739B2
JP5067739B2 JP2008193156A JP2008193156A JP5067739B2 JP 5067739 B2 JP5067739 B2 JP 5067739B2 JP 2008193156 A JP2008193156 A JP 2008193156A JP 2008193156 A JP2008193156 A JP 2008193156A JP 5067739 B2 JP5067739 B2 JP 5067739B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thin film
magnetic thin
magnetic
alloy
film according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2008193156A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2010034182A (ja
JP2010034182A5 (ja
Inventor
武仁 島津
英夫 佐藤
北上  修
岡本  聡
基 青井
弘康 片岡
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Tohoku University NUC
Fuji Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tohoku University NUC, Fuji Electric Co Ltd filed Critical Tohoku University NUC
Priority to JP2008193156A priority Critical patent/JP5067739B2/ja
Priority to CN200910152089.2A priority patent/CN101640098B/zh
Priority to US12/510,878 priority patent/US8076012B2/en
Publication of JP2010034182A publication Critical patent/JP2010034182A/ja
Publication of JP2010034182A5 publication Critical patent/JP2010034182A5/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP5067739B2 publication Critical patent/JP5067739B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/62Record carriers characterised by the selection of the material
    • G11B5/64Record carriers characterised by the selection of the material comprising only the magnetic material without bonding agent
    • G11B5/65Record carriers characterised by the selection of the material comprising only the magnetic material without bonding agent characterised by its composition
    • G11B5/656Record carriers characterised by the selection of the material comprising only the magnetic material without bonding agent characterised by its composition containing Co
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/08Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers
    • H01F10/10Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition
    • H01F10/12Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys
    • H01F10/16Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by magnetic layers characterised by the composition being metals or alloys containing cobalt
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/18Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates by cathode sputtering
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/01Manufacture or treatment
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80Constructional details
    • H10N50/85Magnetic active materials
    • GPHYSICS
    • G11INFORMATION STORAGE
    • G11BINFORMATION STORAGE BASED ON RELATIVE MOVEMENT BETWEEN RECORD CARRIER AND TRANSDUCER
    • G11B5/00Recording by magnetisation or demagnetisation of a record carrier; Reproducing by magnetic means; Record carriers therefor
    • G11B5/74Record carriers characterised by the form, e.g. sheet shaped to wrap around a drum
    • G11B5/82Disk carriers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/11Magnetic recording head
    • Y10T428/115Magnetic layer composition
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10TTECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T428/00Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/32Composite [nonstructural laminate] of inorganic material having metal-compound-containing layer and having defined magnetic layer

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Magnetic Record Carriers (AREA)
  • Thin Magnetic Films (AREA)
  • Magnetic Heads (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Description

この発明は、磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜を応用したデバイスに関し、特に、L11型の原子の規則構造を有する合金を含む磁性薄膜とその成膜方法並びにその応用デバイスに関する。前記磁性薄膜の応用デバイスとしては、主に、垂直磁気記録媒体などの磁気記録媒体、トンネル磁気抵抗素子(TMR;tunnel Magneto-Resistance)、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM;Magnetoresistive Random Access Memory)、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスであり、その他、公知の磁性薄膜を使用するデバイス等に対して、ニーズに応じて広く適用できる。
前記磁性薄膜が使用される各種デバイスの内、磁気記録媒体、トンネル磁気抵抗素子(TMR)、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)、MEMSデバイス等に関して、その概要を述べる。まず、磁気記録媒体に関して述べる。
ハードディスク、光磁気記録(MO)、磁気テープなどの磁気記録装置に用いられる磁気記録方式には、面内磁気記録方式と垂直磁気記録方式の2つの方式がある。ハードディスクに用いられる磁気記録方式は、長年、ディスク表面に対して水平に磁気記録を行う面内磁気記録方式が用いられていたが、2005年頃から、より高い記録密度が可能となる、ディスク表面に対して垂直に磁気記録を行う垂直磁気記録方式が用いられており、そのため磁気記録媒体に垂直磁気記録媒体が用いられるようになっている。垂直磁気記録媒体については、例えば特許文献1に開示されている。特許文献1には、低ノイズ特性、熱安定性および書きこみ特性に優れ、高密度記録が可能であって、低コスト化を図った垂直磁気記録媒体の一例が開示されている。
図1および2は、前記特許文献1に開示された垂直磁気記録媒体の構成の一例であり、図1に示す垂直磁気記録媒体は、非磁性基体1上に下地層3、磁性層4及び保護層5が順に形成された構造を有する。図2に示す垂直磁気記録媒体は、下地層3と非磁性基体1との間に、下地層3の結晶配向性や結晶粒径の制御の目的でシード層2を設けた構成を示す。
また、基体と垂直磁性層との間に軟磁性層を設けた垂直二層媒体も知られており、図1においては、非磁性基体1と下地層3との間に、図2においては、非磁性基体1とシード層2の間に、軟磁性層を設けることが可能である。
垂直磁気記録媒体の磁気記録層(磁性層)用材料としては、現在、主にCoPt系合金結晶質膜が使用されており、垂直磁気記録に用いるために、六方最密充填(hcp)構造をもつCoPt系合金のc軸が膜面に垂直(c面が膜面に平行)になるように結晶配向を制御している。
また、磁性層構造制御の一方式として、一般にグラニュラ磁性層と呼ばれる、強磁性結晶粒の周囲を酸化物や窒化物のような非磁性非金属物質で囲んだ構造をもつ磁性層が、垂直磁気記録媒体において提案されている。このようなグラニュラ磁性膜は、非磁性非金属の粒界相が強磁性粒子を物理的に分離するため、強磁性粒子間の磁気的な相互作用が低下し、記録ビットの遷移領域に生じるジグザグ磁壁の形成を抑制するので、低ノイズ特性が得られると考えられている。
また、垂直磁気記録媒体のさらなる高記録密度化をめざし、隣接するトラックの磁気的な影響を減らすため、トラック間に溝を設けたディスクリートトラック媒体(DTM;discrete track media)の開発や、磁性粒子1つにつき1ビットの記録を可能とするため、磁性粒子が人工的に規則正しく並べられたビットパターンド媒体(BPM;bit patterned media)の開発も盛んに行われている。
さらには、高い保磁力を有する磁性膜に記録することを可能とするため、熱アシスト磁気記録(HAMR;Heat-Assisted Magnetic Recording、TAMR;Thermal Assist Magnetic Recording)といった記録方式も研究されており、この記録方式に対応する磁気記録媒体の研究もなされている。
次に、トンネル磁気抵抗素子(TMR)、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)等について述べる。フラッシュメモリ、DRAMなど従来のメモリがメモリセル内の電子を用いて記録を行っているのに対し、MRAMは記憶媒体にハードディスクなどと同じ磁性体を用いたメモリ技術である。図3は、その模式的構成を示す(出典:「スピン注入磁化反転の現状と課題」、「まてりあ Vol.42 No.9」、2003年9月20日、屋上公二郎他著、社団法人日本金属学会発行、646頁 図10)。MRAMは、アドレスアクセスタイムが10ns台、サイクルタイムが20ns台とDRAMの5倍程度でSRAM並み高速な読み書きが可能である。
また、フラッシュメモリの10分の1程度の低消費電力、高集積性が可能などの長所がある。
MRAMは、図3(a)に示すように、原子数個程度の厚さの絶縁体薄膜を2層の磁性体薄膜で挟み、片側の磁性体薄膜の磁化方向をもう片側に対し変化させることで抵抗値が変化する「TMR効果」を応用している。即ち、図3(b)に示すように、トンネル磁気抵抗素子(TMR)が使用される。
また、トンネル磁気抵抗素子(TMR)としては、反強磁性薄膜上に強磁性薄膜を設けた構造を有するものもある。このような構造を有するトンネル磁気抵抗素子は、例えば特許文献9の図5に開示されている。さらに、特許文献9の図4には、スピンバルブ型磁気抵抗素子も開示されており、この場合も、上記トンネル磁気抵抗素子と同様に、反強磁性薄膜上に強磁性薄膜を設けた構造を有している。
次に、MEMSデバイスについて述べる。MEMSは、機械要素部品、センサー、アクチュエータ、電子回路を一つのシリコン基板、ガラス基板、有機材料などの上に集積化したデバイスを指す。技術応用例としては、プロジェクタの光学素子の一種DMD(Digital Micromirror Device)や、インクジェットプリンタのヘッド部にある微小ノズル、圧力センサー、加速度センサー、流量センサーなどの各種のセンサーなどがある。今後は製造業はもとより、医療分野などでも応用が期待されている。上記MEMSデバイスにおいては、一部に磁性薄膜が使用されている。
ところで、前述のような各種デバイスにおいては、磁性薄膜の磁気特性の向上が望まれており、大きなKu:一軸磁気異方性を有する垂直磁化膜の開発は、今後の記録媒体やメモリの大容量化・高密度化に必須である。特に、垂直磁気記録媒体では、ECC(exchange coupled composite)、ハード/ソフト・スタック、Exchange Springなどの、ハード層とソフト層を重ねた構造の粒子あるいはドットを有する磁気記録層が、将来の高密度磁気記録媒体の磁気記録層として提案されている。しかし、これらの媒体の特性を充分に発揮させ、高い熱安定性と優れた飽和記録特性を実現するためには、107erg/cm3台のKu:一軸磁気異方性を有する垂直磁化膜をハード膜として用いる必要がある。一方、将来の高密度メモリとして期待させているスピン注入磁化反転型のMRAMでも、107erg/cm3台の大きなKu:一軸磁気異方性を有する垂直磁化膜を用いることで、大容量化を実現する研究がなされている。
なお、上記において、Ku値の単位をerg/cm3の単位で表記したが、これをSI単位に変換する場合には、erg/cm3=10-1J/m3により換算すればよい。また、後述する飽和磁化の単位emu/cm3をSI単位に変換する場合には、1emu/cm3=103A/mにより換算すればよい。
前述のような大きなKuを有する垂直磁化膜として、非特許文献1に、Co-PtのL11型規則合金膜が開示されている。また、非特許文献2および特許文献8には、Fe-PtのL10型規則合金膜が開示されている。さらに、Fe-Pt規則合金、Fe-Pd規則合金やCo-Pt規則合金などのL10型規則合金およびこれを磁性層として用いた磁気記録媒体が、特許文献2、3、4、5、6、7に記載されている。
特に、前記非特許文献1に記載されたCo-PtのL11型規則合金膜は規則度を上げることで更に大きなKuが期待できる。
しかしながら、垂直磁気記録媒体などに応用するには、大きなKu:一軸磁気異方性を有するだけでなく、飽和磁化:Msも適切な値に制御する必要がある。これに関しては、例えば非特許文献3に詳述されている。非特許文献3の第180頁の左欄には、Fig.3およびFig.4に基づいて、「飽和磁化Msの値は、300〜700emu/cm3の領域が熱安定性がよく、熱擾乱による保磁力の低減を考慮しない場合でも、磁化曲線の角型比を1に維持するためには、飽和磁化Msは600emu/cm3以下である必要がある」旨、記載されている。
即ち、各種デバイスに使用される磁性薄膜は、目的に応じて、飽和磁化:Msを低く抑えながら高Ku:一軸磁気異方性が得られることが必要である。
特開2006−85825号公報 特開2002−208129号公報 特開2003−173511号公報 特開2002−216330号公報 特開2004−311607号公報 特開2001−101645号公報 国際公開WO2004/034385号再公表公報 特開2004−311925号公報 特開2005−333106号公報 H. Sato, et al., "Fabrication of L11 type Co-Pt ordered alloy films by sputter deposition", J. Appl. Phys.,103, 07E114(2008) S. Okamoto et al., "Chemical-order-dependent magnetic anisotropy and exchange stiffness constant of FePt (001) epitaxial films", Phys.Rev.B, 66, 024413(2002) Y. Inaba, et al., "Magnetic Properties of Hard/Soft-Stacked Perpendicular Media Having Very Thin Soft Layers with a High Saturation Magnetization" .,J. Magn. Soc. Jpn., 31, 178(2007)
この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、本発明の課題は、飽和磁化:Msを低く抑えながら高Ku:一軸磁気異方性を提供することが可能な磁性薄膜とその成膜方法、ならびにこの磁性薄膜を適用した各種デバイスを提供することにある。
上記課題は、以下により達成される。即ち、本発明の磁性薄膜は、L11型の原子の規則構造を有するCo-M-Pt合金(前記Mは単一若しくは複数のCo,Pt以外の金属元素を示す。)を含む磁性薄膜であって、前記Co-M-Pt合金は、Co-Ni-Pt合金またはCo-Ni-M2-Pt(前記M2は単一若しくは複数のCo,Ni,Pt以外の金属元素を示す。)であるか、もしくは、Co-Fe-Pt合金またはCo-Fe-M3-Pt(前記M3は単一若しくは複数のCo,Fe,Pt以外の金属元素を示す。)であることを特徴とする。
また、本発明の磁性薄膜は、L11型の原子の規則構造を有するCo-M-Pt合金(前記Mは単一若しくは複数のCo,Pt以外の金属元素を示す。)を主成分とする強磁性結晶粒とそれを取り囲む非磁性粒界とからなるグラニュラ構造を備えることを特徴とする。
さらに、前記磁性薄膜は、磁性薄膜の磁化容易軸が膜面に垂直に配向していることを特徴とする。
また、前記磁性薄膜において、前記Co-M-Pt合金は、Co-Ni-Pt合金であり、組成は、Coが10〜35(at%)、Niが20〜55(at%)、残部はPtであることが好ましい。
次に、磁性薄膜の成膜方法の発明としては、下記の発明が好ましい。即ち、基体上に、前記磁性薄膜を成膜する方法であって、前記基体温度を150℃〜500℃の範囲とし、成膜前の真空度が1×10-4Pa以下の高真空マグネトロンスパッタ法により形成することを特徴とする。
また、上記磁性薄膜の成膜方法において、前記基体温度が270℃〜400℃の範囲であることが好ましい。
さらに、前記磁性薄膜の成膜方法において、前記真空度が7×10-7Pa以下であることが好ましい。
次に、各種デバイスの発明としては、下記の発明が好ましい。即ち、基体上に、少なくとも磁性層を形成してなる垂直磁気記録媒体において、前記磁性層が前記磁性薄膜であることを特徴とする。
また、前記磁性薄膜を備えたことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子、さらに、前記磁性薄膜を備えたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリ、さらにまた、前記磁性薄膜を備えたことを特徴とするMEMSデバイス等が好ましい
次に、L11型の原子の規則構造と、この構造を有する合金の磁性薄膜の概要と利点、この磁性薄膜の作製方法の概要等について、Co-Ni-Pt合金を例として、以下に述べる。Co-Fe-Pt合金でも、一部、特性傾向の相違はあるものの、この発明の技術思想の観点から、同様のことが言える。
L11型構造とは、fcc構造を基本とする結晶構造であるが、その原子位置に周期性を有する。具体的には、原子最密面である(111)面が、(Co-Ni)を主成分とする原子面と、Ptを主成分とする原子面で、1原子層ずつ交互に積層された構造である。例えば、(Co-Ni)50Pt50組成で、完全に規則化した、即ち、原子が理想的な位置に納まったL11型構造とは、Co-Niだけで構成された原子面と、Ptだけで構成された原子面が、1原子層ずつ交互に積層された構造を言う。実際には、このような理想的な構造を得るのは無理であるが、規則度Sを、化学量論的な原子存在比を考慮して理論的に実現可能な規則度の最大値Smaxで規格化したS/Smaxをできるだけ大きくすることが望ましい。
次に、L11型Co-Ni-Pt薄膜の概要と利点について述べる。
1)このL11型Co-Ni-Pt膜は大きな一軸磁気異方性Kuを有するが、高Kuを持つことで一般に広く注目されているL10型Fe-Pt規則化合金膜よりも、以下の点で優れている。
(1)原子配置の規則度を上げていくと、L10型Fe-Pt規則化合金膜よりも、大きなKuが得られる。
(2)150〜500℃、より好ましくは270〜400℃の比較的低い基体温度で形成することが可能である。公知のL10型Fe-Ptは600℃程度が必要である。
(3)結晶配向性、即ち、磁化容易軸である<111>軸の垂直配向の制御性に優れている。
2)また、L11型Co-Ni-Pt膜のKu,ならびに,飽和磁化Msは、いずれも、組成に依存して変化するため、組成の調整により、Ku及びMsの制御が可能である。特に、詳細は後述するが、CoをNiで置換することで、Co-Pt二元よりも、Msを低く抑えながら高Ku化が実現できる。即ち、二元合金で同じMsとなる組成と比較してKuが高くできる領域が存在する。また、Co-Pt二元よりも、低Pt濃度で、同様な特性が実現できる。
次に、磁性薄膜の作製方法について述べる。
前記本発明の磁性薄膜超高真空マグネトロンスパッタ法により形成できるが、超高真空であることが、規則度の高いL11型構造を得る上で重要である。少なくとも真空性能の悪い装置では作製できない。例えば、基板にMgO(111)単結晶基板を用いることで磁化容易軸である<111>軸が膜面に垂直に配向した単結晶膜が得られる。また、ガラスディスク、熱酸化膜つきSi基板等の平滑性の良い基板を用いることで、磁化容易軸である<111>軸が膜面に垂直に配向した多結晶膜が得られる。さらに、単結晶膜および多結晶膜のいずれの場合も、RuあるいはPtの下地層を用いることが好ましい。また、基体温度は、360℃程度が最も規則度が高いものが得られる。形成されたL11型構造は、特に400℃近い温度までは安定であり、特殊な場合を除き、実用上の熱安定性に優れている。
この発明によれば、飽和磁化:Msを低く抑えながら高Ku:一軸磁気異方性を提供することが可能な磁性薄膜とその成膜方法、ならびにこの磁性薄膜を適用した、ニーズに応じて好適な各種デバイスを提供することができる。
次に、この発明の実施形態について述べる。まず、L11型の原子の規則構造を有するCo-Ni-Pt合金およびCo-Fe-Pt合金の磁性薄膜の実施例について、図4〜図8に基づいて述べる。
図4は、この発明の実施例に係るL11-Co-Ni-Pt垂直磁化膜のKuおよびMsの組成依存性を示す図であり、Co-Ni-Ptの各組成(at%)を三元メッシュで示し、垂直磁化膜は、基板温度360℃でMgO(111)基板上に形成した場合を示す。図4の右下方において、Phase boundaryと表記した比較的細い破線よりも左側にある広い領域で、L11型の構造を実現することができる。前記破線よりも右側の狭い領域は、m-D019型と呼ばれる、L11型とは異なった構造が作製される。
また、図4において、○印で示した各点には、Ku値を付記し、その等値線を太い実線で示した。また、Msの等値線を太長の破線で示した。さらに、図中、楕円状に太い破線で記載した領域は、Co-Pt二元よりも、Msを低く抑えながら高Ku化が実現できる好適な領域を示す。なお、成膜条件の改善等で規則度を向上させると、さらにこの領域は拡大する。
また、当該領域は、Co-Pt二元に比較して、少ないPt量で、同様な磁気特性が実現できる点が利点となる。
上記好適な領域は、前記請求項に記載のとおり、組成は、概ね、Coが10〜35(at%)、Niが20〜55(at%)、残部はPtである。そして、この組成の場合、Kuの値は、概ね1〜2.2×107erg/cm3、若干広くみて、1〜2.5×107erg/cm3であり、Msの値は、概ね400〜800emu/cm3である。
図5は、前記図4の実施例に関わり、理解の容易化のために、Msの組成依存性とKuの組成依存性とを分解して示した図であり、(a)図はMsの等値線を太い実線で示した図、(b)図はKuの等値線を太い実線で示した図である。
次に、図6および図7について述べる。図6は、この発明のCo-Ni-Pt合金およびCo-Fe-Pt合金の磁性薄膜の実施例に係り、複数種の組成に関して、Kuと、Ni(またはFe量)量xとの関係を示した図であり、図7は、Msと、Ni(またはFe量)量xとの関係を示した図である。
図6および図7に示すL11型規則合金は、超高真空(UHV:Ultra High Vacuum)用のDCマグネトロンスパッタ装置(ANELVA, E8001)により作製した。成膜を始める前の到達真空度は7×10-7Pa以下である。スパッタリングには、不純物濃度が2〜3ppbの超高純度ガスを用いた。基板には、MgO(111)単結晶基板を用いた。Co-M-Pt合金(Co-Ni-Pt合金またはCo-Fe-Pt合金)と基板との間には、Pt下地層を設け、Co-M-Pt合金の上にはPtキャップ層を設けた。前記Pt下地層、Co-M-Pt合金層、Ptキャップ層の膜厚は、それぞれ、20nm、10nm、2nmとした。
Co-M-Pt合金層の成膜時の基板温度は、360℃または390℃とし、図6および図7の上部に示すCo-M-Pt合金の各組成の末尾に、それぞれ、360または390と表記した。Co-M-Pt合金層は同時スパッタ法にて形成し、Co、Ni(またはFe)およびPtの各成膜速度は、組成および成膜条件に依存し、1.4〜4.7nm/minとした。
L11型規則構造の確認は、後述するX線回折パターンに超格子回折線を観測することで行なった。また、Ms:飽和磁化は、試料振動型磁力計(VSM;Vibrating Sample Magnetometer)により求めた。Ku:一軸磁気異方性はGST(Generalized Sucksmith-Thompson)法によって求めた。なお、Kuは、トルク磁力計によっても求めることが可能である。
図6によれば、図6で示した範囲にてCoをNi(またはFe)で置換しても、Kuは約107erg/cm3以上の大きな値を維持していることがわかる。また、図7によれば、CoをNi(またはFe)で置換しても、Msを約400〜1200emu/cm3と広範囲にわたり変化させることができることがわかる。
なお、図6および図7に示す実施例においては、CoをNi(またはFe)で置換する割合が大きくなる程、KuおよびMsの値が、概ね低下する傾向を示し、Co-Fe-Pt合金のMsの値は、Feの割合が大きくなっても殆ど変化しない傾向を示している。しかしながら、図4または図5の三元メッシュの実施例の結果によれば、かならずしも、上記のような傾向にはならず、組成によって異なった傾向を示す。いずれにせよ、前記図4〜7の実施例によれば、組成の調整により、Ku及びMsの制御が可能であることが明らかである。
次に、図8について述べる。図8は、MgO(111)基板上に形成した(Co100-XNiX)50Pt50組成におけるX線回折パターンのNi量Xに対する依存性を示す図であり、基板温度を360℃に設定し、薄膜の下地層にPtを用いた例である。
いずれも最密面からの回折線のみが観察され、最密面が膜面に平行に配向していることがわかる。また、二原子層毎の原子の周期性に起因したL11-(111)面及びL11-(333)面の回折線が観察されており、L11型の規則化構造が実現されている。いずれの薄膜も、膜面垂直方向(<111>方向)に磁化容易軸を持つ高Kuを有しており、L11型への規則化を裏付けている。L11型が形成されない場合、当該組成域における結晶構造はfccとなるため、その磁気異方性は一軸性ではなく、その絶対値は1×106 erg/cm3以下の値であることが容易に推察できる。なお、厳密には、L11型の原子配列の規則化により膜面垂直方向の面間隔が若干縮み基本単位が斜方面体構造となるが、ここでは混乱を避けるため立方晶を基準とした指数付けで表記している。
次に、磁性薄膜の適用デバイスの実施形態について述べる。前記磁性薄膜は、前記背景技術の項で述べた垂直磁気記録媒体、トンネル磁気抵抗素子(TMR)、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)、MEMSデバイス等において使用される磁性薄膜に使用することにより、デバイスのニーズに応じた好適なデバイスが実現できる。
この発明の実施形態に係る垂直磁気記録媒体の模式的断面図。 この発明の図1とは異なる実施形態に係る垂直磁気記録媒体の模式的断面図。 この発明の実施形態に係るトンネル磁気抵抗素子(TMR)を備えた磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)の模式的構成を示す図。 この発明の実施例に係るL11-Co-Ni-Pt垂直磁化膜のKuおよびMsの組成依存性を示す図。 図4の実施例に関わり、Msの組成依存性(a)とKuの組成依存性(b)とを分けて示した図。 この発明のCo-Ni-Pt合金およびCo-Fe-Pt合金の磁性薄膜の実施例に係り、複数種の組成に関して、KuとNi(またはFe量)量xとの関係を示した図。 この発明のCo-Ni-Pt合金およびCo-Fe-Pt合金の磁性薄膜の実施例に係り、複数種の組成に関して、MsとNi(またはFe量)量xとの関係を示した図。 この発明に関わり、MgO(111)基板上に形成した(Co100-XNiX)50Pt50組成におけるX線回折パターンのNi量Xに対する依存性を示す図。
1 非磁性基体
2 シード層
3 下地層
4 磁性層
5 保護層

Claims (11)

  1. L11型の原子の規則構造を有するCo-M-Pt合金(前記Mは単一若しくは複数のCo,Pt以外の金属元素を示す。)を含む磁性薄膜であって、前記Co-M-Pt合金は、Co-Ni-Pt合金またはCo-Ni-M2-Pt(前記M2は単一若しくは複数のCo,Ni,Pt以外の金属元素を示す。)であるか、もしくは、Co-Fe-Pt合金またはCo-Fe-M3-Pt(前記M3は単一若しくは複数のCo,Fe,Pt以外の金属元素を示す。)であることを特徴とする磁性薄膜
  2. L11型の原子の規則構造を有するCo-M-Pt合金(前記Mは単一若しくは複数のCo,Pt以外の金属元素を示す。)を主成分とする強磁性結晶粒とそれを取り囲む非磁性粒界とからなるグラニュラ構造を備えることを特徴とする請求項1記載の磁性薄膜。
  3. 前記磁性薄膜の磁化容易軸が膜面に垂直に配向していることを特徴とする請求項1または2に記載の磁性薄膜。
  4. 前記Co-M-Pt合金は、Co-Ni-Pt合金であり、組成は、Coが10〜35(at%)、Niが20〜55(at%)、残部はPtであることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の磁性薄膜。
  5. 基体上に、請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁性薄膜を成膜する方法であって、前記基体温度を150℃〜500℃の範囲とし、成膜前の真空度が1×10-4Pa以下の高真空マグネトロンスパッタ法により形成することを特徴とする磁性薄膜の成膜方法。
  6. 前記基体温度が270℃〜400℃の範囲であることを特徴とする請求項に記載の磁性薄膜の成膜方法。
  7. 前記真空度が7×10-7Pa以下であることを特徴とする請求項またはに記載の磁性薄膜の成膜方法。
  8. 基体上に、少なくとも磁性層を形成してなる垂直磁気記録媒体において、前記磁性層が請求項1乃至のいずれか1項に記載の磁性薄膜であることを特徴とする垂直磁気記録媒体。
  9. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の磁性薄膜を備えたことを特徴とするトンネル磁気抵抗素子(TMR)。
  10. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の磁性薄膜を備えたことを特徴とする磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(MRAM)。
  11. 請求項1ないしのいずれか1項に記載の磁性薄膜を備えたことを特徴とするMEMSデバイス。
JP2008193156A 2008-07-28 2008-07-28 磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス Active JP5067739B2 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008193156A JP5067739B2 (ja) 2008-07-28 2008-07-28 磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス
CN200910152089.2A CN101640098B (zh) 2008-07-28 2009-07-28 磁性薄膜及其成膜方法以及磁性薄膜的应用装置
US12/510,878 US8076012B2 (en) 2008-07-28 2009-07-28 Magnetic thin film and method for forming the film, and magnetic thin film-applied device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008193156A JP5067739B2 (ja) 2008-07-28 2008-07-28 磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス

Publications (3)

Publication Number Publication Date
JP2010034182A JP2010034182A (ja) 2010-02-12
JP2010034182A5 JP2010034182A5 (ja) 2012-03-15
JP5067739B2 true JP5067739B2 (ja) 2012-11-07

Family

ID=41615030

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2008193156A Active JP5067739B2 (ja) 2008-07-28 2008-07-28 磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス

Country Status (3)

Country Link
US (1) US8076012B2 (ja)
JP (1) JP5067739B2 (ja)
CN (1) CN101640098B (ja)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5550007B2 (ja) * 2008-12-05 2014-07-16 国立大学法人東北大学 磁性薄膜及びその製造方法、並びにこのような磁性薄膜を用いた各種応用デバイス
CN102163433B (zh) * 2010-02-23 2013-12-25 昭和电工株式会社 热辅助磁记录介质和磁存储装置
JP5570270B2 (ja) * 2010-03-29 2014-08-13 昭和電工株式会社 熱アシスト磁気記録媒体及び磁気記憶装置
JP5346348B2 (ja) * 2011-02-23 2013-11-20 株式会社日立製作所 磁気記録媒体、磁気記録装置
US8481181B2 (en) 2011-03-31 2013-07-09 Seagate Technology Llc Exchange coupled magnetic elements
US8742518B2 (en) 2011-03-31 2014-06-03 Seagate Technology Llc Magnetic tunnel junction with free layer having exchange coupled magnetic elements
JP5901975B2 (ja) * 2012-01-13 2016-04-13 株式会社東芝 情報記録装置、及び情報記録方法
TWI514373B (zh) * 2012-02-15 2015-12-21 Ind Tech Res Inst 上固定型垂直磁化穿隧磁阻元件
KR102017623B1 (ko) * 2012-08-30 2019-09-03 삼성전자주식회사 자기 메모리 소자
JP6083163B2 (ja) 2012-09-11 2017-02-22 富士電機株式会社 垂直磁気記録媒体およびその製造方法
SG11201502575TA (en) 2012-12-06 2015-05-28 Fuji Electric Co Ltd Perpendicular magnetic recording medium
US11810700B2 (en) * 2018-10-30 2023-11-07 Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. In-plane magnetized film, in-plane magnetized film multilayer structure, hard bias layer, magnetoresistive element, and sputtering target

Family Cites Families (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3434476B2 (ja) 1999-09-29 2003-08-11 秋田県 高密度情報記録媒体及びその媒体の製造方法
JP3762277B2 (ja) * 2000-09-29 2006-04-05 キヤノン株式会社 磁気記録媒体及びその製造方法
JP2002208129A (ja) 2000-11-09 2002-07-26 Hitachi Maxell Ltd 磁気記録媒体及びその製造方法並びに磁気記録装置
JP3730518B2 (ja) 2001-01-19 2006-01-05 株式会社東芝 磁気記録媒体
JP3730906B2 (ja) 2001-12-03 2006-01-05 日立マクセル株式会社 磁気記録媒体及びその製造方法並びに磁気記録装置
JP4035457B2 (ja) * 2002-03-15 2008-01-23 キヤノン株式会社 機能デバイスの製造方法
CN1279514C (zh) 2002-10-10 2006-10-11 富士通株式会社 多晶结构膜及其制造方法
JP4207769B2 (ja) * 2002-12-20 2009-01-14 富士電機デバイステクノロジー株式会社 垂直磁気記録媒体およびその製造方法
JP3981732B2 (ja) 2003-03-27 2007-09-26 独立行政法人物質・材料研究機構 垂直磁気異方性を有するFePt磁性薄膜とその製造方法
JP2004311607A (ja) 2003-04-04 2004-11-04 Canon Inc 磁性体、磁気記録媒体、磁気記録再生装置、情報処理装置及びその製造方法
JP2005036294A (ja) * 2003-07-17 2005-02-10 Hitachi Metals Ltd 反強磁性合金および反強磁性合金を用いた磁気デバイス
JP2005333106A (ja) 2004-04-20 2005-12-02 Ken Takahashi 交換結合素子とその製造方法並びに交換結合素子を具備したデバイス
JP2006085825A (ja) 2004-09-16 2006-03-30 Tohoku Univ 垂直磁気記録媒体
JP4810279B2 (ja) * 2005-03-31 2011-11-09 キヤノン株式会社 磁気記録媒体の製造方法
US8153189B2 (en) * 2005-03-31 2012-04-10 Canon Kabushiki Kaisha Structure and process for production thereof
JP2008109118A (ja) * 2006-09-29 2008-05-08 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子およびそれを用いた磁気ランダムアクセスメモリ
CN100510190C (zh) * 2006-11-30 2009-07-08 复旦大学 c轴垂直取向的L10相FePt磁记录薄膜的制备方法
JP2008197089A (ja) * 2007-01-17 2008-08-28 Fujikura Ltd 磁気センサ素子及びその製造方法
JP5550007B2 (ja) * 2008-12-05 2014-07-16 国立大学法人東北大学 磁性薄膜及びその製造方法、並びにこのような磁性薄膜を用いた各種応用デバイス
JP2011028809A (ja) * 2009-07-24 2011-02-10 Hitachi Ltd 磁気記録媒体

Also Published As

Publication number Publication date
CN101640098B (zh) 2013-05-29
JP2010034182A (ja) 2010-02-12
CN101640098A (zh) 2010-02-03
US20100055503A1 (en) 2010-03-04
US8076012B2 (en) 2011-12-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5067739B2 (ja) 磁性薄膜とその成膜方法並びに磁性薄膜の応用デバイス
JP5550007B2 (ja) 磁性薄膜及びその製造方法、並びにこのような磁性薄膜を用いた各種応用デバイス
JP2010034182A5 (ja)
US9341685B2 (en) Antiferromagnetic (AFM) grain growth controlled random telegraph noise (RTN) suppressed magnetic head
JP2008176858A (ja) 垂直磁気記録媒体、及びそれを用いたハードディスクドライブ
JP2007273057A (ja) 垂直磁気記録媒体および磁気記憶装置
JP2006190461A (ja) 磁気的リセット可能な単一磁区軟磁気裏打ち層を使用する垂直磁気記録媒体
JP5105333B2 (ja) 磁気記録媒体、その製造方法および磁気記録再生装置
US20080075979A1 (en) Magnetic recording medium, method of manufacturing magnetic recording medium, and magnetic recording device
JP2009182129A (ja) 磁気抵抗効果素子およびその製造方法
US10115890B2 (en) Magnetic thin film and application device including magnetic thin film
JP2008097685A (ja) 垂直磁気記録媒体、その製造方法、および磁気記憶装置
JP2008034060A (ja) 垂直磁気記録媒体および磁気記憶装置
JP2008072014A (ja) 交換結合膜及び磁気デバイス
JP2014056624A (ja) 規則化合金を含む薄膜およびその製造方法
JP2007257679A (ja) 磁気記録媒体、その製造方法、および磁気記憶装置
JP2008226416A (ja) 垂直磁気記録媒体とその製造方法
JPWO2006054469A1 (ja) 強磁性膜、磁気抵抗素子、及び磁気ランダムアクセスメモリ
WO2017002348A1 (ja) 磁気記録媒体
JP4174772B2 (ja) 垂直磁気記録媒体
JP2009026394A (ja) 磁気記録媒体及び磁気記録再生装置
JP2004127502A (ja) 磁気記録媒体
JP5345543B2 (ja) 垂直磁気記録媒体の製造方法および磁気記録再生装置
CN101796581A (zh) 磁记录介质和磁记录再生装置
JP4414421B2 (ja) 垂直磁気記録媒体

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20110613

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110613

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20110613

A711 Notification of change in applicant

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712

Effective date: 20110722

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120126

A871 Explanation of circumstances concerning accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871

Effective date: 20120127

A975 Report on accelerated examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971005

Effective date: 20120202

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120228

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120724

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120806

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150824

Year of fee payment: 3

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 5067739

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250