(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層構造の磁気電子デバイスの製造方法であって、
前記方法が多層構造（１０）を蒸着することからなり、前記多層構造（１０）が、一方が他方の上に配置され、それぞれが磁気異方性と共に対応する磁気モーメントを有する少なくとも二つの強磁性層（１）を含み、当該少なくとも二つの強磁性層（１）のうち各二つの隣接する前記強磁性層（１）がそれぞれ非磁性層（８）で分離され、前記各強磁性層（１）が一軸磁気異方性を示すように、前記各強磁性層（１）の延在平面上に延在する基準方向（５）に対してそれぞれの方位角で、かつ、前記各強磁性層（１）の延在平面に垂直な方向（４）に対して非ゼロ入射角で前記各強磁性層（１）が蒸着された方法において、
前記磁気電子デバイス（１０）について磁化曲線を特定し、
特定した前記磁化曲線を得るため、前記強磁性層（１）の数を決定すると共に、前記各強磁性層（１）についての磁気モーメント及び磁気硬度を決定し、
前記各強磁性層（１）について、決定された前記各強磁性層（１）の前記磁気モーメント及び前記磁気硬度を得るための磁性材料、厚さ、方位角及び入射角を決定し、
前記各強磁性層（１）について決定した前記磁性材料、前記厚さ、前記方位角及び前記入射角を使用して、前記多層構造（１０）を蒸着することを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記強磁性層（１）のうちの少なくとも一つについて、前記入射角が４５°より大きいことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法において、
前記強磁性層（１）のうちの少なくとも一つについて、前記入射角が８０°より大きいことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法において、
前記各強磁性層（１）について、蒸着方向（３）と、前記各強磁性層（１）の延在平面上への前記蒸着方向（３）の投影とに渡る平面に対して垂直に向けられた容易軸（６）を有する一軸磁気異方性を前記各強磁性層（１）が示すように、前記入射角が選ばれることを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法において、
前記少なくとも二つの強磁性層（１）のうち各二つの隣接する前記強磁性層（１）について、もたらされる前記磁気モーメントが互いに異なる方向となるように、前記方位角が互いに異なっていることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、
前記少なくとも二つの強磁性層（１）のうち少なくとも二つの隣接する前記強磁性層（１）について、前記方位角の差は１°から８９°の間又は９１°から１７９°の間であることを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法において、
前記各強磁性層（１）について、前記磁性材料が、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びこれらの合金からなる群から選ばれることを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法において、
各二つの隣接する前記強磁性層（１）は同じ材料組成を有するか、又は、各二つの隣接する前記強磁性層（１）は異なる材料組成を有することを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法において、
前記各非磁性層（８）について材料と厚さを決定し、
前記各非磁性層（８）について決定した前記材料と前記厚さを使用して、前記多層構造（１０）を蒸着することを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法において、
前記強磁性層（１）の蒸着及び／又は前記非磁性層（８）の蒸着は、イオンビーム蒸着又は物理蒸着法によって実施されることを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法において、
前記多層構造（１０）は、化学的に不活性な非磁性の基板（２）上に蒸着されることを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法において、
シード層が、前記基板（２）と前記多層構造（１０）との間に配置され、前記基板（２）と前記強磁性層（１）のうちの一つとの両方に接することを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法において、
前記磁気電子デバイス（１０）は磁場センサであることを特徴とする方法。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法によって製造可能な磁気電子デバイスであって、
一方が他方の上に配置され、それぞれが磁気異方性と共に対応する磁気モーメントを有する少なくとも二つの強磁性層を含む多層構造（１０）からなり、前記少なくとも二つの強磁性層（１）のうち各二つの隣接する前記強磁性層（１）は、それぞれ非磁性層（８）で分離され、異なる方向に向いた容易軸を有する一軸磁気異方性を示す、磁気電子デバイスにおいて、
前記少なくとも二つの強磁性層（１）のうち少なくとも二つの隣接する前記強磁性層（１）について、前記容易軸の相対配向は逆並列と異なり、
前記多層構造（１０）は、化学的に不活性な非磁性の基板（２）上に、前記多層構造（１０）のうちの前記強磁性層（１）の一つが、前記基板（２）と接するように直接蒸着されると共に硬磁性層となる前記入射角で堆積されていることを特徴とする磁気電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、多層構造の磁気電子デバイスの製造方法に関し、前記方法が多層構造を蒸着することからなり、前記多層構造が、一方が他方の上に配置され、それぞれが磁気異方性と共に対応する磁気モーメントを有する少なくとも二つの強磁性層を含み、当該少なくとも二つの強磁性層のうち各二つの隣接する強磁性層がそれぞれ非磁性層で分離され、各強磁性層が一軸磁気異方性を示すように、各強磁性層の延在平面上に又はそれに平行して延在する基準方向に対してそれぞれの方位角で、かつ、各強磁性層の延在平面に垂直な方向に対して非ゼロ入射角で各強磁性層が蒸着されている。当該方法は更に、そのような方法で製造可能な磁気電子デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような多層構造の磁気電子デバイスは、中間非磁性層で分離された強磁性層を含み、外部からの磁場の印加によって、それらの電気抵抗が変化するという、特定の多層構造の特性に依存している。より具体的には、このいわゆる磁気抵抗は、電気抵抗が個々の強磁性層の相対的な磁化配向に左右されること、また、外部の磁場がこの相対的な配向を変化させ得るということに起因する。磁気抵抗をもたらす二つの効果としては、中間非磁性層が導電体である多層構造において生じ得る、いわゆる巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果と、中間非磁性層が絶縁体である多層構造において生じ得る、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）効果とがある。
【０００３】
実用に役立たせるためには、個々の層における明確な相対磁化配向、即ち、ベクトル量であるそれらの磁気モーメントを用いて、磁気抵抗多層構造を製造しなければならない。このため、既知の磁気抵抗多層構造はかなり複雑で調製が難しいものが多い。従来技術の磁気抵抗多層構造では、隣接する強磁性層の磁化配向の差は０°又は１８０°である。更に、室内実験においては、隣接する強磁性層の磁化配向の差が９０°の多層構造が作製されたが、これらを確実に製造するのが極めて困難であることが判明し、実際の磁気抵抗デバイスとして利用されるには至っていない。
【０００４】
例えば、ある種の磁気抵抗多層構造においては強磁性層と中間非磁性層の材料と厚さが慎重に選ばれ、かつ、隣接する強磁性層が、二つの強磁性層のそれぞれの磁気モーメントの相対配向を生じさせるいわゆるＲＫＫＹ相互作用によって結合するように制御される。ＲＫＫＹ相互作用は、とりわけ中間非磁性層の厚さにより変動する。従って、隣接する強磁性層の磁化配向については、残留磁気が並列又は逆並列のいずれかとなるよう選ぶことができる（上記の９０°の相対配向を安定的に実現するのは非常に難しい）。適切な外部磁場によりＲＫＫＹ相互作用の結合力を抑え、少なくとも幾つかの強磁性層の磁化方向を変えることが可能であり、よって、多層構造の電気抵抗が変わる。例えば、外部磁場の印加により、その配向は、残留磁気が逆並列から並列となる変化を強いられる可能性がある。こうしてもたらされた多層構造の磁気抵抗の変化が、外部磁場の存在を検出するために使用可能である。
【０００５】
実際上確実に実現可能なのが並列又は逆並列の相対配向のみであること、また、ＲＫＫＹ相互作用によってもたらされる層間結合強度が、結合した強磁性層の飽和挙動に対して極めて敏感に影響を及ぼし、０．１ｎｍオーダーの中間層の厚さの変動によって変化するという事実により、スイッチング磁界と磁気抵抗の一般磁場依存性を選択的に精密に設定し得る可能性は非常に限られてくる。その結果、特定の用途に適応する磁場センサの設計は制限される。更に、ＲＫＫＹ相互作用は、非常に限られた数の強磁性層と中間層の材料の組み合わせで、その中間層の厚さが非常に小さい場合にのみ観測される。
【０００６】
磁気抵抗多層構造のさらなる例として、交換相互作用により強磁性層の磁化の固定又は「ピン止め」を図るため、反強磁性層が一つの強磁性層と接触して配置された、いわゆる交換結合型スピンバルブ（exchange-biased spin valves）がある。更なる強磁性層は非磁性中間層によって当該固定された強磁性層から分離分断される。その結果、適切な外部磁場の印加により、この「自由な」強磁性層は被固定層の磁化を維持しつつ自層の磁化を変え得る。スピンバルブシステムは、その非磁性中間層の電気特性によって分類が可能である。いわゆるＧＭＲ型スピンバルブは導電性中間層を利用し、いわゆるＴＭＲ（トンネル磁気抵抗効）型スピンバルブは、トンネル障壁として働く絶縁性中間層を利用する。ＴＭＲスピンバルブは、例えば、磁気抵抗ランダムアクセスメモリ（ＭＲＡＭ）デバイスに使われる。ピン止め層によって生じる漂遊磁界及びピン止め層と自由層の間の不要な結合を低減又は回避するために、単一のピン止め強磁性層に代えて二つの逆並列な強磁性層を組み合わせてピン止め層として使用することがある。そのようなピン止め結合層は、その全体の磁場が自由層においてゼロ又はゼロに近くなるように配置され得る。このピン止め層の構造は、例えば、ＭＲＡＭデバイスにおいてよく利用されている。
【０００７】
これらのスピンバルブにおける反強磁性層はかなり複雑なピン止め構造の一部であり、そのようなスピンバルブ構造の製造を困難にする。更に、この場合も、スイッチング磁界と磁気抵抗の一般磁場依存性を選択的に精密に設定し得る可能性は非常に限られてくる。なぜなら、自由磁性層のスイッチング挙動が殆ど影響を受けず、磁性容易軸、即ち、磁気モーメントの好適な方向が自由層において誘起されることが通常はないからである。
【０００８】
いずれにせよ、多層構造において明確な磁気異方性を持つ強磁性層を確実に調製するのは困難である。これについては、上述した０°及び１８０°（そして、室内実験における９０°）しか相対配向が実現していない。
【０００９】
特許文献１により、斜め入射蒸着によって磁気抵抗多層構造の強磁性膜を調製することが知られている。ここで、蒸着させる入射粒子と強磁性層の延在平面に垂直な方向との間の角度に応じて、もたらされる一軸異方性の容易軸がその粒子の入射方向及び当該方向を強磁性層の延在平面に投影することで定義される平面に対して平行又は垂直となる。この従来技術文献によれば、角度が小さければ容易軸の向きが平行となり、角度が大きければ容易軸の向きが垂直になる。そして入射角を変動させることで当該各層の磁気硬度も変動させることができる。当該技術は、強磁性層の相対磁化配向が平行である多層構造の調製に使用されてきた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許第６８１８９６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
磁気抵抗多層構造の種類にかかわらず、使用された公知の多層構造の磁気電子デバイスの製造方法では、それらを特定の用途へ適応する限られた能力しか得られない。このことは、幾つかの用途においては多層構造の磁気電子デバイスの有用性が限られたものにすぎないか又は全く使用できないということでもある。例えば、仮に可能であったとしても、特定の用途に向けて確実かつ望ましい質的又は量的な感度を持った多層構造の磁気電子デバイスを提供することは非常に困難である。
【００１２】
本発明は、多層構造の磁気電子デバイスの柔軟性及び特定の用途への適応性を高め、かつ、新規用途への有用性を拡大することが可能な多層構造の磁気電子デバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本目的は請求項１に記載の方法により達成される。当該方法の好ましい実施形態は従属請求項の内容である。
【００１４】
本発明によれば、多層構造の磁気電子デバイス、具体的には、磁場センサ又はＭＲＡＭデバイス等の製造方法は、二つ以上の強磁性層からなり、その一方を基板上の他方の上に配設した多層構造を蒸着することからなる。各強磁性層は磁気異方性を有するように、即ち、大きさと方向を有する磁気モーメントを示すように蒸着される。実際には、磁気モーメントの方向は各強磁性層によって定義される平面上に延在する。
【００１５】
更に、強磁性層のうち各二つの隣接する強磁性層がそれぞれ非磁性層で分離されるように、多層構造を蒸着する。ＧＭＲ効果に依存する多層構造が製造されるか、又は、ＴＭＲ効果に依存する多層構造が製造されるかによって、非磁性層は導電性か絶縁体のどちらかとなる。
【００１６】
各強磁性層の斜め入射蒸着によって、磁気的異方性が部分的又は全体にわたって作製される。即ち、各強磁性層をそれぞれの方位角と蒸着させる粒子の入射角によって蒸着し、その方位角と入射角は所望する一軸磁気異方性が作製されるよう選ばれる。ここで、通常、方位角とは蒸着させる粒子の進路の各強磁性層の平面への投影と、各強磁性層の平面上に延在する基準方向との間の角度である。基準角度は、特定の磁気電子デバイスの全ての層について同一であるか、そうでなければ任意に選んで決定することもできる。同様に、通常、入射角とは蒸着させる粒子の進路と各強磁性層の平面に垂直な方向との間の角度である。特許文献１で知られているように、各強磁性層のそれぞれの磁化容易軸の方向は方位角と非ゼロ入射角を適切に選ぶことによって決定できる。一軸異方性によって定義された軸に沿った特定の磁化方向を定義するには、強磁性層の蒸着時において比較的小さい適切な外部磁場を印加すれば良い。なお、多層構造は上記の強磁性層のみを有していても良いし、例えば、ゼロ角蒸着のように異なる方法で製造した他の強磁性層を併せて有していても良い。
【００１７】
本発明者らは、複数の強磁性層の厚さ、方位角及び入射角を個別に選ぶことによって、所望する明確な磁気硬度と相対磁化配向を持った強磁性層を有する多層構造を柔軟かつ容易に提供することができ、それによって当該多層構造及び磁気電子デバイスを特定の用途に柔軟に適応させることができるということを見出した。特に、隣接する強磁性層間で並列及び逆並列構造とは異なる所望の相対磁化配向を、容易に、確実に、そして、安定的に発生させることが可能となる。
【００１８】
よって、当該方法は更に磁気電子デバイスの磁化曲線を特定することを含む。磁化曲線がスイッチング磁界と場依存のスイッチング挙動、特に感度等を決定することから、このステップでは、スイッチング磁界とスイッチング挙動を特定した後に、対応する磁化曲線を決定することを含むことが好ましい。なお、ここで、磁化曲線は磁気電子デバイスの磁気抵抗曲線、即ち、デバイス全体の磁気抵抗特性としての特定の特性も決定する。このため、磁化は多層構造全体に渡って一体的に測定される。抵抗の測定に関しては、個々の層により定義される平面上の抵抗でも良いし、又は、その平面に垂直な、即ち、層構造に垂直な抵抗でも良い。
【００１９】
なお、磁気電子デバイスの性能は、磁気抵抗の全般的場依存の変化とＳ／Ｎ比を検出する極めて特殊な装置でなければ測定できない。しかしながら、場依存の磁気抵抗特性とデバイスの感度は、従来の磁気ヒステリシス曲線で直接結論づけることができる。なぜならば、ヒステリシス曲線の変化によって具体化する磁気スイッチングは、対応する磁気抵抗の変化に付随して起こっているからである。従って、例えば、ＳＱＵＩＤ又はＭＯＫＥといった技術を通じて検出した磁気ヒステリシス曲線を、磁気電子デバイスの場依存の感度の解明に使用することが可能である。
【００２０】
そして、得られた多層構造が特定の磁化曲線を示すように、強磁性層の数と、強磁性層のそれぞれについて、磁気モーメントと、磁気硬度（即ち、保磁力）とを決定する。磁化曲線への個々の層の付加的な寄与のため、例えば、従来のシミュレーションによって、又は、決定論的手法も併用することによって、この決定は容易に達成できる。
【００２１】
次いで、各強磁性層について、当該決定した磁気モーメントと磁気硬度が得られるように、磁性材料、厚さ、方位角及び入射角を決定する。この決定は、磁気モーメント及び磁気硬度の、厚さ、方位角及び入射角といったパラメータへの既知の依存性に基づいて容易に達成できる。この依存性は考えられる材料のそれぞれについて実験により求めることができる。このステップでは、各強磁性層について、シード層を対応する強磁性層に直接隣接させて配置すべきか決定すること、そして、任意のフィード層のような特性について決定することを選択的に更に含んでも良い。シード層は、例えば、強磁性層と、多層構造を蒸着する基板、好ましくは、化学的に不活性な非磁性の基板との間に直接接するように配置しても良い。そのようなシード層は、蒸着された各強磁性層の結晶構造と側面プロファイルに影響を及ぼすことができ、これにより、強磁性層の磁気異方性と磁気硬度に影響を与え、厚さ、方位角及び入射角だけを変動させる場合と比べて、シード層を併用することで特定の性能を得ることがより容易となり得る。なお、上述したように、全ての強磁性層を非ゼロ入射角で蒸着することが好ましいが、幾つかの強磁性層については、ゼロ角入射蒸着を使用することもできる。
【００２２】
最後に、各強磁性層について、決定した材料、厚さ、方位角及び入射角を用いて、そして、可能であれば、決定したシード層も用いて、多層構造の蒸着を実行する。
【００２３】
強磁性層の磁気硬度と磁気モーメントをさまざまに選択及び調整することにより、大きく異なる磁気抵抗曲線を持った多層構造を実現することができる。例えば、外部磁場強度の特定の範囲において正確な定量的測定ができるように、当該範囲における磁気抵抗曲線の傾斜を選択的に調整することが可能である。更に、強磁性層の磁気特性が層間の磁気結合又はピン止めに依存していないことから、当該多層構造は複雑ではない。よって、例えば、多層構造を非磁性の基板上に直接蒸着させても良い。基板に隣接する強磁性層を選択的硬磁性構造とすることにより、両者間に反磁性ピン層は不要となる。また、強磁性層の磁気特性が各強磁性層自身によって定義されるため、非磁性層の厚さと材料組成は従来技術と比べて重要性が格段に低い。このように、本発明は、多層構造における磁気抵抗特性の選択的かつ精密な調節の可能性を、有利かつ飛躍的に拡大する。
【００２４】
好適な一実施形態において、一つ又は二つ以上又は全ての強磁性層について、その入射角は４５°より大きく、７０°より大きいことが好ましく、８０°より大きいことがより好ましく、８５°より大きいことが最も好ましい。なお、有利には、磁気硬度は入射角が７０°より大きいとき、特に、入射角が８０°より大きいときに急激に増加することが判明している。
【００２５】
好適な一実施形態において、各強磁性層について、蒸着させる粒子の進路と、各強磁性層により定義される平面上へのこの進路の投影とに渡る平面に対して垂直に向けられた容易軸を有する一軸磁気異方性を各強磁性層が示すように、入射角が選ばれる。そのような垂直配向をもたらす角度は、一般的に、平行配向をもたらす角度よりも高い磁性硬度も示す。
【００２６】
好適な一実施形態において、強磁性層のうち各二つの隣接する強磁性層について、もたらされる磁気モーメントが互いに異なる方向となるように、方位角が互いに異なっている。特に、強磁性層のうち少なくとも二つの隣接する強磁性層について、方位角の差は１°から１７９°の間であり、好ましくは、１°から８９°の間又は９１°から１７９°の間である。即ち、並列、逆並列又は垂直のいずれでもない相対配向を容易に提供するという実現性が用いられており、その結果、磁気電子デバイスの製造における柔軟性と適応性が大きく向上する。
【００２７】
一般に、各強磁性層について、対応する層の有効な磁気モーメントが結果として生じるように、合金中で強磁性的に秩序化する元素を含んでいれば、どのような合金が使用されても良い。強磁性層用に選択された材料は、その後、そのような元素で構成される。好適な一実施形態において、各強磁性層について、磁性材料は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及び熱力学的に安定なこれらの合金からなる群から選ばれる。なお、ここで、各強磁性層は当該磁性材料に加えて他の材料を含んでいても良い。よって、本実施形態では、合金が強磁性特性を示すための十分な割合のＦｅ、Ｃｏ及び／又はＮｉを含んでいれば、どのような合金が使用されても良い。上記の他の材料は、例えば、５０重量％までの量、又は、更には、７０重量％までの量で存在していても良い。
【００２８】
好適な一実施形態において、各二つの隣接する強磁性層は同じ材料組成を有するか、又は、各二つの隣接する強磁性層は異なる材料組成を有する。ここで、異なる磁性材料（及び、可能なその他の材料）を容易に選ぶという可能性と柔軟性が用いられており、その結果、磁気電子デバイスの製造における柔軟性と適応性が大きく向上する。
【００２９】
好適な一実施形態において、各非磁性層について、材料と厚さが更に決定され、そして、各非磁性層について決定した材料と厚さを使用して、多層構造を蒸着する。これらのパラメータにより、電気抵抗、電子スピン偏極の保存、そして、漂遊磁界を介した隣接する強磁性間の可能な限り不要な結合といった様々な特性が決定されるので、これらパラメータの適切な選択によって、磁気抵抗特性の調整において、幅が拡大し、かつ、容易になる。
【００３０】
好適な一実施形態において、強磁性層の蒸着及び／又は非磁性層の蒸着は、イオンビーム蒸着又は物理蒸着法、例えば、スパッタリングによって実施する。好ましくは、スパッタ蒸着層については、低作動ガス圧とマスクシステムの使用によって、蒸着させる粒子の入射角の均一性の向上を図り、それによって、蒸着層の品質の向上を図る。
【００３１】
好適な一実施形態において、多層構造を化学的に不活性な非磁性の基板上に蒸着する。基板に直接蒸着させても良いし、又は、例えば、基板と強磁性層のうちの一つとの両方に接するように、基板と多層構造との間にシード層を配置しても良い。なお、これについては、既に上述したように、各シード層を基板から離れた一つ以上の強磁性層に直接隣接して配置しても良い。また、既に示したように、そのようなシード層、例えば、タンタル層は、蒸着層の結晶構造及び表面粗さの改質を助け、システム全体の磁気抵抗に影響を及ぼすことができる。
【００３２】
既に上記で詳述したように、上記の方法は、一方を他方の上に配設し、各層が磁気的異方性と共に対応する磁気モーメントを有する少なくとも二つの強磁性層を含む多層構造からなる磁気電子デバイスの製造に有利に使用でき、少なくとも二つの強磁性層のうち各二つの隣接する強磁性層が、それぞれ非磁性層で分離され、互いに異なる方向に向いた容易軸を有する一軸磁気異方性を示す。少なくとも二つの強磁性層のうち少なくとも二つ、好ましくは全ての隣接する強磁性層について、それら容易軸の相対配向は逆並列と異なる配向である。好ましくは、隣接する強磁性層の対のそれぞれについて、相対配向は１°から１７９°の間であり、好ましくは１°から８９°の間又は９１°から１７９°の間である。隣接する強磁性層におけるこのような相対配向又は磁化を有するデバイスは、従来技術におけるデバイスには見られない磁気抵抗特性を示し、考え得るいかなる特定の用途に対して、例えば、特定のスイッチング磁界と特定の場依存の感度のような、その用途に必要な要件を満たすデバイスを見出すことができる。
【００３３】
好適な一実施形態において、磁気電子デバイスの多層構造は、当該多層構造のうちの一つの強磁性層が基板と接するように、化学的に不活性な非磁性の基板上に、直接蒸着されるか直接配置される。このような磁気電子デバイスは、構造が特に簡単である。あるいは、シード層を基板と強磁性層うちの一つとの間に、直接両者と接するように設置しても良い。
【００３４】
好適な一実施形態において、磁気電子デバイスは磁場センサである。
【００３５】
以下、本発明の例示的な実施形態について図面を参照してより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１ａ）は、斜め入射スパッタ蒸着により強磁性鉄層が上に蒸着された不活性な基板の模式的側面図及び上面図を示す。図１ｂ）は、図１ａ）の鉄層の模式的磁化曲線を、容易軸と困難軸それぞれについて示す。
【図２】図２は、図１ａ）の鉄層の模式的磁化曲線を、三つの異なる蒸着角度θ＝０°、４５°、８０°について示す。
【図３】図３は、図１ａ）の鉄層について、磁気硬度の鉄原子の入射角θへの依存性を示す。
【図４】図４は、非磁性中間層で分離される複数の強磁性鉄層からなる多層構造が不活性な基板に蒸着される工程を模式的に示す。
【図５】図５ａ）は、図７ａ）に示す磁気電子デバイス１０について測定した電子及び核共鳴（磁気的）Ｘ線反射率曲線を示す。図５ｂ）は、外部磁場に依存する磁気電子デバイスの磁気飽和挙動を示す。
【図６】図６ａ）は、非磁性層で分離され、図７ａ）の磁気電子デバイスの多層構造と同じように調製された、同一の厚さの二つの隣接する鉄層の磁気モーメントの異なる組み合わせを示す。図６ｂ）は、図６ａ）の組み合わせのそれぞれについて、磁化曲線の測定に使用した外部磁場の方向を示す。図６ｃ）は、図６ａ）の組み合わせのそれぞれについての模式的な磁化曲線を示す。
【図７】図７ａ）は、図４に示す工程により製造した磁気電子デバイスを示す。図７ｂ）は、図７ａ）の磁気電子デバイスの一つの例示的実施形態における個々の鉄層の磁気モーメントを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１ａ）は、鉄原子の斜め入射スパッタ蒸着による強磁性鉄層１の化学的に不活性な基板２上への蒸着を、側面図と鉄層１と基板２の上面図によって模式的に示している。側面図に示すように、鉄原子の入射方向３は、基板２及び鉄層１の延在により定義される平面に垂直な方向４に対して非ゼロ角θ、例えば、８０°となっている。更に、図示の例では、鉄層１の延在平面又は延在する方向に平行して延在する基準方向５に対する方位角αを０°として蒸着が達成される。即ち、基準方向５と、基板２及び鉄層１の延在によって定義される平面上への入射方向３の投影との間の角度はゼロである。
【００３８】
大きな傾斜角θでのこのスパッタ蒸着により、蒸着した鉄層１は、一軸容易軸６を有する一軸磁気異方性を示す。一軸容易軸６は、入射方向３と、当該方向の基板２及び鉄層１の延在平面上への投影とによって定義される平面に対して垂直となっている。一軸容易軸６は、鉄層１の磁気モーメントＭrがとり得る二つの方向７に相当する。そのうちの一つの方向７は、例えば、蒸着中に小さな磁場を印加することによって選択できる。
【００３９】
図１ｂ）は、容易軸６とそれに直交する困難軸に対応する図１ａ）の鉄層１の模式的磁化曲線を示す。そのような磁化曲線は、例えば、ＭＯＫＥにより測定が可能である。
【００４０】
測定した磁化曲線の蒸着角度θへの依存性を示すため、図２では自由角θ＝０°、４５°、８０°についての模式的磁化曲線を示す。θ＝０°について、即ち、従来技術において一般的であるように、斜め入射蒸着を使用しない場合、一軸磁気異方性は発生しないので、容易軸は存在しない。むしろ、その結果、磁化曲線は測定方向から独立しており、鉄層は軟磁性である。θ＝４５°では、磁気異方性が若干増加し、容易軸が鉄原子の入射方向３に対して垂直の方向を向いている。これはθ＝８０°のときにも当てはまるが、更に鉄層１が硬磁性になる。
【００４１】
図３は、図１ａ）の鉄層１について、磁気硬度、つまり、保磁場の鉄原子の入射角θへの依存性を示す。適切な角度θを選択することにより、連続的な磁気硬度の調整が可能であることがわかる。よって、どのような磁性材料であっても、多層構造内に軟磁性及び硬磁性層を選択的に製造できる。
【００４２】
図４は、非磁性中間層で分離される複数の強磁性鉄層からなる多層構造を不活性な基板上に蒸着し、最終的に磁気電子デバイスをもたらす工程を模式的に示す。この工程の第一ステップでは、図１ａ）と本質的に同一であり、つまり、蒸着角度θが８０°の斜め入射スパッタ蒸着によって強磁性鉄層１を基板２上に蒸着する。ただし、図１ａ）の例と異なり、＋２０°の方位角αを用いることにより、鉄層１の磁気モーメントＭ1をもたらしている。
【００４３】
基板上への直接の第一の鉄層１の蒸着に続いて、第二ステップでは、非磁性炭素層８を垂直入射、即ち、角度θが０°で鉄層１上に蒸着する。そして、第一の鉄層１を基板２上に蒸着したのと同じように、第二の鉄層１を炭素層８上に蒸着するが、ここでは、−２０°の方位角を用いることで、この鉄層１の磁気モーメントＭ2が第一の鉄層１の磁気モーメントＭ1に対して垂直となるようにする。その後、第二の非磁性炭素層８を垂直入射、即ち、角度θが０°で第二の鉄層１上に蒸着する。これらのステップを数回、例えば、六回繰り返すことにより、基板２上に交互に並ぶ十二層の鉄層１と十二層の炭素層８からなり、各二つの隣接する鉄層１が４０°の相対角度で方向付けられた磁化を有する多層構造を最終的に作製する。得られた多層構造は、磁気電子デバイス１０を構成し、図７ａ）に示されており、図５ａ）及び図５ｂ）に磁気的に特徴付けられている。
【００４４】
図５ａ）は、図７ａ）に示す磁気電子デバイス１０について測定した電子（１番上の曲線）及び核（下の２本の曲線）共鳴（磁気的）Ｘ線反射率曲線を模式的に示す。これらの曲線の測定を可能とする方法の詳細は、文献「K. Schlage and R. Roehlsberger, "Nuclear resonant scattering of synchrotron radiation: Applications in magnetism of layered structures", J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom (2013)（オンライン発行： http://dx.doi.org/10.1016/j.elspec.2013.02.005)」から得ることができる。また、多層構造は二つの磁気的基底状態と想定できることが示され、そのうちの第二の状態が図４に示されている。これら基底状態は、例えば、１００ｍＴ（図５ａの左側１／３の部分を参照）の強い外部磁場によって誘導でき、二つの磁気副格子間における１４０°の大きな開口角度（低正味磁化）と、４０°の小さな開口角度（高正味磁化）とによってそれぞれ特徴付けられる。図５ａ）の右側１／３の部分を参照。開口角度１４０°の基底状態１では、角度０．２５°のとき反射率曲線において強い磁気的超構造ピークをもたらす。
【００４５】
図５ｂ）は、もたらされる困難軸に沿って増加する外部磁場（黒い記号）が印加されている状態で、基底状態１について、外部磁場に依存する磁気電子デバイスの磁気飽和挙動を示す。この曲線は磁気的超構造ピークの強度に相当する。図５ｂ）に示すように、強度の単調な変化は、個々の鉄層１の磁化がそれらの容易軸から外れて回転することによる二つの副格子の飽和挙動に相当する。灰色の記号は、外部磁場が引き続き再減少した場合の磁気的超構造ピークの変化を示す。灰色の記号で表わされる曲線は黒い記号で表わされる曲線と本質的に同一であることから、ヒステリシス効果は存在していない。
【００４６】
図６ａ）は、非磁性層で分離され、層の数が少ないことを除いて、図７ａ）の磁気電子デバイス１０の多層構造と同じように調製された、同一の厚さの二つの隣接する鉄層１のインプリントされた磁気異方性（容易軸の向きと磁気硬度によって特徴づけられる）の異なる組み合わせを示す。図６ａ）における矢印の幅は、インプリントされた磁気異方性の相対的な大きさ、即ち、磁気硬度を示しており、幅広の矢印はそれより狭い矢印よりも磁気硬度が高いことを表わす。これらは鉄層１の蒸着の際に適切な蒸着角度θと方位角αを選ぶことにより実現される。図６ｂ）は、図６ａ）の選択肢のそれぞれについて、図６ｃ）に示される磁化曲線の測定に使用した外部磁場の方向を示す。図に示すように、選択的に蒸着角度θと方位角αを選び、それによって、個々の鉄層１の磁気硬度と磁化方向を選ぶことにより、磁化曲線の特性を広い範囲で選択的に変動させることができる。例えば、磁化曲線が急増を示す（一番上の選択肢）ようにもできるし、湾曲した磁気スイッチング挙動を示す（真ん中の選択肢）ようにもできるし、外部磁場とほぼ直線関係を示す（一番下の選択肢）ようにもできる。各選択肢において、左側の磁化曲線は右側の磁化曲線よりも低い磁気異方性の多層構造について測定したものである。
【００４７】
磁化曲線に対応した磁化の変化は、磁気抵抗の対応する変化をもたらす。従って、特定の用途に適した場依存の磁気抵抗特性につながる磁化曲線を定義することが可能となる。そして、鉄層１と中間層８の磁気特性と対応する製造パラメータを決定でき、それは、所望の磁化曲線をもたらす。例えば、特定の用途に向けて直線的な特徴を持つ磁化曲線がほしいときには、一番下の磁気モーメントの組み合わせが選ばれる。曲線状、傾斜状又はほぼ直線状の磁化曲線特性が実現可能であることから、例えば、外部磁場の定量的測定が可能な磁気電子デバイスを製造することができる。従来技術と対称的に、本発明によれば、磁場強度又は磁場強度の範囲と磁場のその他の特性を柔軟に調整又は設定することが可能であり、それらを定性的かつ定量的に測定できる。また、その調整も容易に行うことができる。
【００４８】
図７ａ）は、図４の工程により製造した磁気電子デバイス１０を示す。図７ｂ）は、デバイス１０の一つの例示的実施形態の模式的上面図であり、個々の鉄層１の磁気モーメントの方向を示している。図に示すように、磁気モーメントの方向は、最下部の鉄層１’から最上部の鉄層１”に向かって、徐々に時計回り方向に変動する。ここに示すように、非常に複雑な多層磁化プロファイルを実現することができる。
【図１ａ）】
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【図１ｂ）】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ）】
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【図５ｂ）】
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【図６ａ）】
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【図６ｂ）】
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【図６ｃ）】
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【図７ａ）】
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【図７ｂ）】
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