JP2019009304A

JP2019009304A - 磁気メモリ素子、並びに磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法

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Publication number: JP2019009304A
Application number: JP2017124316A
Authority: JP
Inventors: 雄樹酒井; Yuki Sakai; 東　正樹; Masaki Azuma; 正樹東; 啓佑清水; Keisuke Shimizu; 諒川邊; Ryo Kawanabe; 元北條; Hajime Hojo; 圭重松; Kei Shigematsu; 孟山本; Takeshi Yamamoto
Original assignee: Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology
Current assignee: Kanagawa Institute of Industrial Science and Technology
Priority date: 2017-06-26
Filing date: 2017-06-26
Publication date: 2019-01-17
Anticipated expiration: 2037-06-26
Also published as: JP6902783B2

Abstract

【課題】室温で強磁性および強誘電性を示し、電場印加により磁場反転可能な材料を用いた磁気メモリ素子を提供する。【解決手段】磁気メモリ素子１０は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が３．９０〜３．９７Åである基板１１と、基板１１上に配置された下部電極１２と、下部電極１２上に配置された、下記式（１）で表される化合物からなり、厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍである薄膜１３と、薄膜１３上に配置された上部電極と、を含む。ＢｉＦｅ１−ｘＡｘＯ３・・・（１）［式（１）中、ＡはＣｏまたはＭｎであり、ｘは０．０５≦ｘ＜０．２５を満たす。］【選択図】図１

Description

本発明は、磁気メモリ素子、および磁気メモリ素子の情報の書き込み及び読み取り方法に関する。

近年、強磁性、強誘電性、強弾性などの性質を複数有するマルチフェロイック物質の開発が進んでいる。かかるマルチフェロイック物質のうち、強誘電性と強磁性とを併せ持ち、かつ電場で磁化を制御できる物質は、電場による磁化の応答を利用した低消費電力磁気メモリ素子としての応用が期待されている。

従来、マルチフェロイック物質を利用した素子として、ＡＦｅＯ_３型オルソフェライトなどからなるマルチフェロイック素子が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１０−１６１２７２号公報

これまでに知られているマルチフェロイック物質の多くは、−２００℃以下の低温でしか強磁性と強誘電性の両方を示さない、あるいは電場印加による磁化の反転を行えないため、磁気メモリ素子として実用化するのは困難であった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的のひとつは、室温で電場による情報の書き込み及び読み取りが可能な磁気メモリ素子の提供にある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の磁気メモリ素子は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が３．９０〜３．９７Åである化合物からなる基板と、基板上に配置された下部電極と、下部電極上に配置された、下記式（１）で表される化合物からなり、厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍである薄膜と、薄膜上に配置された上部電極と、を含む。
ＢｉＦｅ_１−ｘＡ_ｘＯ_３・・・（１）
［式（１）中、ＡはＣｏまたはＭｎであり、ｘは０．０５≦ｘ＜０．２５を満たす。］

上記基板は、１１０配向のＧｄＳｃＯ_３基板、１１０配向のＤｙＳｃＯ_３基板、１１０配向のＳｒＴｉＯ_３基板、１１１配向のＳｒＴｉＯ_３基板および００１配向のＳｒＴｉＯ_３基板からなる群より選択されてもよい。

本発明のある態様の磁気メモリ素子の書き込みおよび読み取り方法は、上記磁気メモリ素子の下部電極と上部電極に電圧を印加し、薄膜の磁化を反転させることによって、情報を書き込む工程と、薄膜の磁化の反転を検出することによって、書き込まれた情報を読み取る工程と、を含む。

本発明の磁気メモリ素子は、室温で電場を印加することにより磁化反転させることによって、情報の書き込み、読み取りを行うことが可能であり、消費電力の大幅な低下が可能である。

実施の形態にかかる磁気メモリ素子の一例の構成を示す概略図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、実施の形態にかかる磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法の工程図である。図３（Ａ）は、ＳｒＴｉＯ_３（１１１）基板上のＢｉＦｅＯ_３薄膜およびＢｉＦｅ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３薄膜の分極および電流を電場との関数として示す図である。図３（Ｂ）は、ＢｉＦｅ_０．８５Ｃｏ_０．１５Ｏ_３薄膜の面外の圧電応答顕微鏡（ＰＦＭ）像である。図４（Ａ）は、ＳｒＴｉＯ_３（１１１）基板上のＢｉＦｅ_ｘＣｏ_１−ｘＯ_３薄膜の面内残留磁化Ｍ_ｒの温度依存性を示す図である。図４（Ｂ）は、室温におけるこれらの薄膜の面内磁化の外部磁場依存性を示す図である。図４（Ｃ）は、ＳｒＴｉＯ_３（００１）基板上のＢｉＦｅ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３薄膜の面内残留磁化Ｍ_ｒの温度依存性を示す図である。図４（Ｄ）は、室温における同薄膜の面内磁化の外部磁場依存性を示す図である。図４（Ｅ）は、ＳｒＴｉＯ_３（００１）基板上のＢｉＦｅ_０．９Ｍｎ_０．１Ｏ_３薄膜の面内残留磁化Ｍ_ｒの温度依存性を示す図である。図４（Ｆ）は、室温における同薄膜の面内磁化の外部磁場依存性を示す図である。図５（Ａ）は、ポーリング前のＧｄＳｃＯ_３（１１０）基板上のＢｉＦｅ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３薄膜のＰＦＭ像である。図５（Ｂ）は、ポーリング前の同薄膜のＭＦＭ像である。図５（Ｃ）は、ポーリング後の同薄膜のＰＦＭ像である。図５（Ｄ）は、ポーリング後の同薄膜のＭＦＭ像である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。

（磁気メモリ素子）
図１は、実施の形態にかかる磁気メモリ素子の一例の構成を示す概略図である。磁気メモリ素子１０は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が３．９０〜３．９７Åである化合物からなる基板１１と、基板１１上に配置された下部電極１２と、下部電極１２上に配置された薄膜１３と、薄膜１３上に配置された上部電極１４とを含む。図１において、電源１５は、磁気メモリ素子１０へ電圧を印加するための電源である。

基板１１は、ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が３．９０〜３．９７Åである化合物からなる。このような化合物からなる基板１１上に薄膜１３を形成することで、薄膜１３自体の本質的な磁化を発現させることができ、室温での電場印加による薄膜１３の磁化の反転が可能となる。基板１１の具体例としては、１１０配向のＧｄＳｃＯ_３基板、１１０配向のＤｙＳｃＯ_３基板、１１０配向のＳｒＴｉＯ_３基板、１１１配向のＳｒＴｉＯ_３基板および００１配向のＳｒＴｉＯ_３基板が挙げられる。基板１１の厚さは、特に限定されないが、薄膜合成および取り扱いのしやすさの観点から、３００μｍ〜１０００μｍが好ましく、４００μｍ〜６００μｍがより好ましい。

下部電極１２を構成する材料は特に限定されず、既知の電極材料を使用することができる。当該材料の例としては、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、Ｌａ_０．５Ｓｒ_０．５ＣｏＯ_３などが挙げられる。

薄膜１３は、下記式（１）で表される化合物からなる。
ＢｉＦｅ_１−ｘＡ_ｘＯ_３・・・（１）
式（１）中、ＡはＣｏまたはＭｎであり、ｘは０．０５≦ｘ＜０．２５を満たす。ｘが０．０５以上であることで、薄膜１３は、室温で強磁性と強誘電性を発揮することができる。ｘが０．２５未満であることで、薄膜１３の結晶構造の変化を抑えることができる。室温での薄膜１３の自発磁化の大きさは１ｅｍｕ／ｃｍ^３〜１０ｅｍｕ／ｃｍ^３程度であり、自発分極の大きさは５０?１５０μＣ／ｃｍ^２程度である。薄膜１３の磁化方向は、下部電極１２および上部電極１４に電圧を印加して生じた電場によって反転することができる。これによって、薄膜１３に情報を書き込むことができ、反転した磁化を検出することで、書き込まれた情報を読み取ることができる。

薄膜１３の厚さは、２００ｎｍ〜１０００ｎｍである。かかる薄膜１３の厚さであれば、薄膜１３に確実に電場を印加できるようになり、デバイスとしての信頼性を向上できる。格子歪みの観点から、薄膜１３の厚さは、２００ｎｍ〜４００ｎｍが好ましい。

下部電極１２および薄膜１３の形成方法は、特に限定されず、物理気相蒸着法（ＰＶＤ法）や、化学気相蒸着法（ＣＶＤ法）などの、当業者に既知の方法で形成することができる。ＰＶＤ法の具体例としては、パルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法、電子ビーム蒸着法などがある。ＣＶＤ法の具体例としては、有機金属（ＭＯ）ＣＶＤ法、ミストＣＶＤ法などがある。

上部電極１４を構成する材料は、下部電極１２と同様に、特に限定されず、既知の電極材料を用いることができる。下部電極１２と上部電極１４を構成する材料は、同じであっても、異なっていてもよい。上部電極１４は、下部電極１２と同様に例えば上記の気相蒸着法によって形成してもよい。あるいは、公知の電極パッドを上部電極１４として薄膜１３上に貼り付けてもよい。

（磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法）
図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、実施の形態に係る磁気メモリ素子の書き込みおよび読み取り方法の工程図である。本実施の形態に係る磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法は、磁気メモリ素子の下部電極および上部電極に電圧を印加し、薄膜の磁化を反転させて、情報を書き込む工程と、薄膜の磁化の反転を検出して、書き込まれた情報を読み取る工程とを含む。当該方法によれば、電場の印加によって磁気メモリ素子への情報の書き込みを行うため、電流によって発生した磁場で書き込みを行う従来の磁気メモリ素子と比較して電力消費を抑えることができる。

具体的には、図２（Ａ）では、電場印加前の磁気メモリ素子１０と、磁気メモリ素子の上部に配置された読み取り部２０が示されている。図２（Ａ）では、電場印加前の薄膜１３の磁化方向Ｍは黒矢印で示すように下向きである。

次に、図２（Ｂ）に示すように、磁気メモリ素子１０の下部電極１２と上部電極１４に、白矢印で示す方向に電圧Ｅを印加することによって、薄膜１３に電場を印加する。これによって、薄膜１３の磁化方向が黒矢印で示すように上向きに反転し、薄膜１３に情報が書き込まれる。図２（Ａ）および図２（Ｂ）では、理解しやすくするために、薄膜の磁化の方向Ｍを黒矢印で示したが、実際には、薄膜１３を構成するＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３は、８つの１１１方向を向く電気分極に垂直な磁化容易面を形成している。本実施の形態では、下部電極１２と上部電極１４に電圧を印加することで、薄膜１３の面直成分の磁化を反転させる。

薄膜１３に書き込まれた情報は、読み取り部２０によって、薄膜１３の磁化の反転を検出することによって読み取る。読み取り部２０は、磁気ドメイン以下のサイズに加工した、磁化の反転を検出できるセンサを含む。そのようなセンサとしては、例えば、磁気抵抗効果素子等が挙げられる。

以下、本発明の実施例を説明するが、これら実施例は、本発明を好適に説明するための例示に過ぎず、なんら本発明を限定するものではない。

ＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜を作製するために、基板として、菱面体晶構造の安定化が期待できるＳｒＴｉＯ_３（１１１）、および薄膜との格子ミスマッチの小さなＧｄＳｃＯ_３（１１０）を選択した。これらの基板上にパルスレーザー堆積（ＰＬＤ）法により下部電極として１５ｎｍのＳｒＲｕＯ_３薄膜を作製したのちに、酸素分圧１５Ｐａ、基板温度７００℃の条件でＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜（ｘ＝０，０．０５，０．１０，０．１５，膜厚２００ｎｍ）を作製した。結晶性の評価はＸ線回折（ＸＲＤ）（リガク社製ＳｍａｒｔＬａｂ）を用いて行った。電気特性の評価は直径１００μmのＰｔ上部電極を電子ビーム蒸着により堆積させたのちに、強誘電体評価システム(東陽テクニカ社製ＦＣＥ−１Ｅ)を用いて行った。強誘電ドメインの観察・書き込みおよび強磁性ドメインの観察は、圧電応答顕微鏡（ＰＦＭ）および磁気力応答顕微鏡（ＭＦＭ）（Ａｇｉｌｅｎｔ５４２０）を用いて行った。磁気特性は超伝導量子干渉素子（ＳＱＵＩＤ）(カンタムデザイン社製ＭＰＭＳ)を用いて評価した。

まずはＳｒＴｉＯ_３（１１１）基板上のＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜についての結果を示す。全ての組成において、単相の菱面対称構造を持つＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜が得られたことをＸＲＤ２θ−θスキャンおよび１２１ピークのφスキャンにより確認した。続いて、ＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜について室温における強誘電性の有無を確認した。ｘ＝０，０．１０組成の薄膜のＰ−Ｅヒステリシスループを図３（Ａ）に示す。ｘ＝０組成の薄膜（ＢｉＦｅＯ_３）では、角型の良好なヒステリシスループが得られた。一方、ｘ＝０．１０組成の薄膜ではリークが増加したことにより、丸みを帯びたヒステリシスループとなった。更にＣｏ置換量を増やしたｘ＝０．１５組成の薄膜では、リークが更に増加したことにより、ヒステリシスループを得ることは出来なかった。そこで、リークの影響を受けにくいＰＦＭによる書き込みを行った（図３（Ｂ））。明瞭な強誘電ドメインが書き込みできていることがわかる。以上のことから、全ての薄膜は室温で強誘電体であることを確認した。

ＳｒＴｉＯ_３（１１１）基板上のＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜の面内残留磁化の温度依存性を図４（Ａ）に示す。ｘ＝０および０．０５組成の薄膜の磁化は、この温度範囲でほぼゼロであった。これに対し、ｘ＝０．１０および０．１５組成の薄膜の磁化は、それぞれ、おおよそ２２０Ｋおよび１３０Ｋで大きく変化していることがわかる。３００Ｋにおける面内磁化の外部磁場依存性を図４（Ｂ）に示す。ｘ＝０．１０および０．１５組成の薄膜は、強磁性ヒステリシスループを示した。残留磁化の値は、０．０４μＢ／ｆ．ｕ．程度である。これらの結果から、ｘ＝０．１０および０．１５組成の薄膜は、室温において傾角スピンによる弱強磁性を示していると考えられる。同様に、ＳｒＴｉＯ_３（００１）基板上のＢｉＦｅ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３ならびにＢｉＦｅ_０．９Ｍｎ_０．１Ｏ_３でも室温で傾角スピンによる弱強磁性を示す事を確認した（図４（Ｃ）〜図４（Ｆ）参照）。

最後に強誘電性と強磁性の相関の有無を調べるために、ＰＦＭとＭＦＭを用いて強誘電ドメインと強磁性ドメインの観察を試みた。しかし、磁気構造変化が観測できたＳｒＴｉＯ_３基板上のＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜の自発磁化は薄膜面内に存在するため、ＭＦＭを用いた磁気ドメインの観察は困難であった。そこで、薄膜面外方向に磁化成分を持つことが期待できるＧｄＳｃＯ_３（１１０）基板上のＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３薄膜について同様の実験を行った。具体的には、ＢｉＦｅ_１−ｘＣｏ_ｘＯ_３の分極は８つの１１１方向を向くため、面外、および２つの直交する方向からの面内の圧電応答をマッピングする必要がある。したがって、ＰＦＭによって膜表面の面外、および２つの直交する方向からの面内の分極を測定し、得られた３つの画像を、画像処理によって一枚に合成することで、ｔｏｔａｌの分極マッピング像を作製した。図５（Ａ）にＧｄＳｃＯ_３（１１０）基板上のＢｉＦｅ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３薄膜のＰＦＭ像を示す。ストライプ上のコントラストが存在することがわかる。このようなドメイン構造は（００１）配向のＢｉＦｅＯ_３薄膜でしばしば報告されており、７１°ドメインであると考えられる。図５（Ｂ）に同一の領域で観察したＭＦＭ像を示す。ＰＦＭ像と類似したコントラストが存在することがわかる。磁性カンチレバーの磁化の向きを反転させて観察して、コントラストが反転することを確認し、これらのコントラストが磁気ドメインに対応することを確認した。以上の結果から、強誘電ドメインと強磁性ドメインの間に相関が存在することが明らかになった。続いて、ＰＦＭを用いて電場を印加して面外分極を反転させた後、同様のＰＦＭおよびＭＦＭを測定し、電場印加による磁化反転が起きたかどうかを検証した。

ポーリング後のＢｉＦｅ_０．９Ｃｏ_０．１Ｏ_３薄膜のＰＦＭ像およびＭＦＭ像をそれぞれ図５（Ｃ）、図５（Ｄ）に示す。図５（Ｃ）および図５（Ｄ）から、電場印加によって、強誘電ドメインはドメイン形状を保ちつつ面直成分のみ分極が反転し、これに伴い、面直磁化が反転した。これにより、電場を印加することで局所的な磁化の反転が起こることを確認した。

以上、本発明を上述の実施の形態を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組み合わせや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。

１０磁気メモリ素子、１１基板、１２下部電極、１３薄膜、１４上部電極。

Claims

ペロブスカイト構造を有し、擬立方表記で格子定数が３．９０〜３．９７Åである化合物からなる基板と、
前記基板上に配置された下部電極と、
前記下部電極上に配置された、下記式（１）で表される化合物からなり、厚さが２００ｎｍ〜１０００ｎｍである薄膜と、
前記薄膜上に配置された上部電極と、
を含むことを特徴とする磁気メモリ素子。
ＢｉＦｅ_１−ｘＡ_ｘＯ_３・・・（１）
［式（１）中、ＡはＣｏまたはＭｎであり、ｘは０．０５≦ｘ＜０．２５を満たす。］
前記基板が、１１０配向のＧｄＳｃＯ_３基板、１１０配向のＤｙＳｃＯ_３基板、１１０配向のＳｒＴｉＯ_３基板、１１１配向のＳｒＴｉＯ_３基板および００１配向のＳｒＴｉＯ_３からなる群より選択される請求項１に記載の磁気メモリ素子。
請求項１または２に記載の磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法であって、
前記磁気メモリ素子の下部電極と上部電極に電圧を印加し、前記薄膜の磁化を反転させて、情報を書き込む工程と、
前記薄膜の磁化の反転を検出して、書き込まれた情報を読み取る工程と、
を含むことを特徴とする磁気メモリ素子の情報の書き込みおよび読み取り方法。