JP2024061529A - Magnetic domain wall displacement type device and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、磁壁移動素子を配列した磁壁移動型デバイスおよびその製造方法に関する。 The present invention relates to a domain wall motion device in which domain wall motion elements are arranged, and a method for manufacturing the same.
メモリセルにおける磁気抵抗効果素子の抵抗の高低を2値のデータとする磁気抵抗ランダムアクセスメモリ(Magnetoresistive Random Access Memory:MRAM)においては、書込み、すなわち磁気抵抗効果素子の一部の磁性膜(自由層)の磁化反転方式として、高速化や低電流化のために、磁壁移動方式(例えば、特許文献1)やSOT(Spin Orbit Torque:スピン軌道トルク)方式(例えば、特許文献2,3)のMRAMが開発されている。 In magnetoresistive random access memory (MRAM), which uses the high and low resistance of the magnetoresistive element in the memory cell as binary data, MRAMs using the domain wall motion method (e.g., Patent Document 1) and the SOT (Spin Orbit Torque) method (e.g., Patent Documents 2 and 3) have been developed to increase speed and reduce current as a method of writing, i.e., magnetization reversal of a portion of the magnetic film (free layer) of the magnetoresistive element.
磁壁移動型MRAMは、磁気抵抗効果素子の自由層を両側に延伸した細線状に形成して、その長手方向の所定の2点間における磁化方向を変化させる。詳しくは、幅が数nm~数百nmの細線状に形成された磁性体(以下、磁性細線)は、その長手方向に2以上の磁区が生成し易く、さらに当該長手方向(細線方向)に電流を所定の電流密度以上で供給されると、磁区同士を区切るように生成している磁壁がSTT(Spin Transfer Torque:スピン注入トルク)効果によって電流の逆方向に(正極側へ)移動する(非特許文献1)。また、このような磁性細線の所定領域(磁化反転可能領域)における磁化反転を利用して、磁性細線を磁気光学材料で形成して光変調素子とした磁気光学式の空間光変調器が開発されている(例えば、特許文献4)。さらに、配列したメモリセルや画素の1列を1本の磁性細線における磁区で構成することにより、構造を簡素化すると共にセルを微細化した、レーストラックメモリ(Racetrack Memory)(例えば、特許文献5~7)や空間光変調器が開発されている(例えば、特許文献8,9)。
In the domain wall motion type MRAM, the free layer of the magnetoresistance effect element is formed into a thin wire extending on both sides, and the magnetization direction is changed between two predetermined points in the longitudinal direction. In detail, a magnetic body formed into a thin wire with a width of several nm to several hundred nm (hereinafter, magnetic thin wire) is likely to generate two or more magnetic domains in the longitudinal direction, and when a current is supplied in the longitudinal direction (thin wire direction) at a predetermined current density or more, the domain wall generated to separate the magnetic domains moves in the opposite direction of the current (towards the positive pole) due to the STT (Spin Transfer Torque) effect (Non-Patent Document 1). In addition, magnetization reversal in a predetermined region (magnetization reversible region) of such a magnetic thin wire is used to develop a magneto-optical spatial light modulator in which the magnetic thin wire is formed of a magneto-optical material and used as an optical modulation element (for example, Patent Document 4). Furthermore, racetrack memories (e.g.,
SOT-MRAMは、磁気抵抗効果素子の自由層に積層したTa(タンタル)等からなるチャネル層が、膜面(xy面)内における一方向(x方向)に電流を供給されると、y方向の互いに逆向きのスピンを有する電子が上下の各表層に分かれて蓄積され、自由層との界面近傍の電子が自由層の磁化方向を反転させる。SOT方式においても、磁気光学材料で形成した磁性細線にチャネル層を積層して光変調素子とした、磁気光学式の空間光変調器が開発されている(例えば、特許文献10,11)。チャネル層は、スピンホール効果(Spin Hall Effect:SHE)を有し、Ta、Pt(白金)、W(タングステン)等の高比重で常磁性の遷移金属(例えば、非特許文献2,3)、またはBiSb,BiSe等のトポロジカル絶縁体(例えば、非特許文献4,5)が適用される。トポロジカル絶縁体、特にBiSbをチャネル層に適用すると、接合界面を介して、磁性体に巨大なスピントルクを与えることができ、高いSOT効果が得られることが知られている(非特許文献4)。また、SOT効果は磁性細線における磁壁移動にも作用することが知られ(例えば、非特許文献2,3,5)、STT効果を超える磁壁移動の高速化、低電流化が期待されている。特に、レーストラックメモリや同様の構造の空間光変調器は、大容量化や高精細化のために磁性細線をより長くすることが求められているが、磁性細線が電流供給により発熱し易く、劣化を抑制するために低電流化が要求される。
In SOT-MRAM, when a current is supplied in one direction (x direction) in the film surface (xy plane) to a channel layer made of Ta (tantalum) or the like stacked on the free layer of a magnetoresistance effect element, electrons with spins in the opposite directions in the y direction are stored separately in the upper and lower surface layers, and the electrons near the interface with the free layer reverse the magnetization direction of the free layer. In the SOT method, magneto-optical spatial light modulators have also been developed in which a channel layer is stacked on a magnetic fine wire formed of a magneto-optical material to form an optical modulation element (for example,
磁性材料には、保磁力等の磁気特性や磁気光学特性が100℃近傍~200℃未満の加熱によって劣化するものが多い。特に、BiSbと磁性膜の積層体は、150℃程度の比較的低温の熱処理によって、BiSbのBiやSbが磁性膜中に拡散してしまい、磁性膜の磁気特性が劣化する虞がある(非特許文献5)。そのため、このような材料の、磁性細線を備える磁気抵抗効果素子や光変調素子(磁壁移動素子)への適用が困難である。具体的には、フォトリソグラフィ工程において、フォトレジストの硬化(ベーク)温度が150℃程度またはそれ以上、現像(フォトレジストの溶解)温度が70~90℃程度である。また、レジストマスク除去工程のプラズマアッシング温度が160℃程度である。磁性膜や積層体の細線状等への成形は、その成膜前にレジストマスクを形成するリフトオフ法により、また、レジストマスクを溶解除去することにより可能である。しかし、磁壁移動素子は、磁性細線上の一部の領域にAu,Cu等からなる電極や読出し用の素子等を接続する必要がある。電極等を磁性細線の形成前に絶縁膜に埋め込んで磁性細線の下面に接続することもできるが、磁壁移動素子の構造等によっては磁性細線の形成後にしか形成できない場合がある。フォトリソグラフィによらない配線形成技術として導電性ペーストを印刷する技術が開発されているが、導電性ペーストを焼成するために熱処理が必要である。 Many magnetic materials have magnetic properties such as coercivity and magneto-optical properties that deteriorate when heated to temperatures between about 100°C and below 200°C. In particular, when a laminate of BiSb and a magnetic film is heat-treated at a relatively low temperature of about 150°C, the Bi and Sb in the BiSb diffuse into the magnetic film, which may cause the magnetic properties of the magnetic film to deteriorate (Non-Patent Document 5). For this reason, it is difficult to apply such materials to magnetoresistance effect elements and light modulation elements (domain wall motion elements) that have magnetic fine wires. Specifically, in the photolithography process, the photoresist hardening (baking) temperature is about 150°C or higher, and the development (dissolving of the photoresist) temperature is about 70 to 90°C. In addition, the plasma ashing temperature in the resist mask removal process is about 160°C. The magnetic film or laminate can be shaped into a fine wire shape or the like by a lift-off method in which a resist mask is formed before the film is formed, and by dissolving and removing the resist mask. However, the domain wall motion element requires electrodes made of Au, Cu, etc., and readout elements to be connected to a certain area on the magnetic nanowire. Electrodes, etc. can be embedded in the insulating film before the magnetic nanowire is formed and connected to the underside of the magnetic nanowire, but depending on the structure of the domain wall motion element, they may only be formed after the magnetic nanowire is formed. A technique for printing conductive paste has been developed as a wiring formation technique that does not rely on photolithography, but heat treatment is required to sinter the conductive paste.
本発明は前記問題点に鑑み創案されたもので、磁気特性の良好な磁性膜を備える磁壁移動素子を配列した磁壁移動型デバイス、およびその製造方法を提供することが課題である。 The present invention was devised in consideration of the above problems, and aims to provide a domain wall motion device in which domain wall motion elements having magnetic films with good magnetic properties are arranged, and a method for manufacturing the same.
すなわち、本発明に係る磁壁移動型デバイスの製造方法は、磁性材料からなる磁性層を備えて細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の細線方向における一部に接続する電極と、を備える磁壁移動素子を配列した磁壁移動型デバイスの製造方法である。この磁壁移動型デバイスの製造方法は、第1基板上に、前記磁性細線が形成される領域と、平面視ですべての前記磁性細線を囲繞する枠状の領域と、を空けたマスクを形成するマスク工程と、前記第1基板上に、前記磁性細線の材料を成膜する磁性細線材料成膜工程と、90℃以下で前記マスクを除去するリフトオフ工程と、90℃以下で、前記電極が形成された第2基板を、前記電極が前記磁性細線に接合するように前記第1基板と貼り合わせる基板接合工程と、を順に実行する。 That is, the method for manufacturing a domain wall motion device according to the present invention is a method for manufacturing a domain wall motion device in which domain wall motion elements are arranged, each of which includes a magnetic fine wire formed in a fine wire shape with a magnetic layer made of a magnetic material, and an electrode connected to a part of the magnetic fine wire in the fine wire direction. The method for manufacturing this domain wall motion device sequentially performs a masking process for forming a mask on a first substrate that has an area in which the magnetic fine wires are formed and a frame-shaped area that surrounds all of the magnetic fine wires in a planar view, a magnetic fine wire material deposition process for depositing a material for the magnetic fine wires on the first substrate, a lift-off process for removing the mask at 90°C or less, and a substrate bonding process for bonding a second substrate on which the electrodes are formed to the first substrate at 90°C or less so that the electrodes are bonded to the magnetic fine wires.
本発明に係る磁壁移動型デバイスは、磁性材料からなる磁性層を備えて細線状に形成してなる磁性細線と、前記磁性細線の細線方向における一部に接続する電極と、を備える磁壁移動素子を、基板上に配列して備え、前記電極同士の間を埋めるまたは前記電極上に設けられた一体の絶縁層と、前記絶縁層と前記基板に挟まれて前記磁壁移動素子を配列した領域を囲繞し、前記磁性細線と同じ材料で形成された枠体と、をさらに備え、前記磁性細線の側面および前記電極との接続部以外の上面の少なくとも一方と、前記枠体の内側の側面の少なくとも一部と、が露出している構成とする。 The domain wall motion device according to the present invention is configured to include magnetic domain wall motion elements arranged on a substrate, the magnetic domain wires each having a magnetic layer made of a magnetic material and formed into a fine line shape, and an electrode connected to a portion of the magnetic domain wall motion elements in the fine line direction, and further includes an integral insulating layer that fills the gap between the electrodes or is provided on the electrodes, and a frame body made of the same material as the magnetic domain wires, sandwiched between the insulating layer and the substrate and surrounding the region in which the domain wall motion elements are arranged, and at least one of the side surfaces of the magnetic domain wires and the top surface other than the connection portion with the electrode, and at least a portion of the inner side surface of the frame body are exposed.
本発明に係る磁壁移動型デバイスの製造方法によれば、所望の磁気特性を示す磁壁移動素子を配列した磁壁移動型デバイスが得られる。そして、本発明に係る磁壁移動型デバイスによれば、磁壁移動素子が所望の磁気特性を示すものとなる。 The method for manufacturing a domain wall motion device according to the present invention makes it possible to obtain a domain wall motion device in which domain wall motion elements exhibiting desired magnetic properties are arranged. And, according to the domain wall motion device according to the present invention, the domain wall motion elements exhibit desired magnetic properties.
以下、本発明に係る磁壁移動型デバイスおよびその製造方法を実現するための形態について、図面を参照して説明する。図面に示す磁壁移動型デバイスおよびその要素は、明確に説明するために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状や構造を単純化していることがある。 Below, the domain wall motion device and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings. The domain wall motion device and its elements shown in the drawings may be exaggerated in size and positional relationship, and the shape and structure may be simplified, in order to clearly explain the device.
〔第1実施形態〕
本発明の第1実施形態に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)50は、図1および図2に示すように、基板71と、磁性細線1およびその両端における上面に接続した電極21,22を備えて、基板71上で磁性細線1の細線幅方向に並設した磁壁移動素子10と、磁壁移動素子10の電極21,22同士の間を埋める絶縁層82と、基板71と絶縁層82に挟まれ、並設した磁壁移動素子10を囲繞する枠体6と、を備える。空間光変調器50は、磁壁移動素子10の磁性細線1の周囲に空隙を有し、磁性細線1の側面および枠体6の内側の側面6sが露出し、この空隙は外部と遮断された非酸化雰囲気である。本明細書では適宜、磁性細線1の細線方向をx方向、細線幅方向をy方向、厚さ方向をz方向と称する。また、図2および後記断面図において、切断面にはハッチング(斜線パターン)を付し、それ以外の領域(切断面よりも奥側の側面)にはドットパターンを付して、または輪郭線のみ(白)で表す。
First Embodiment
1 and 2, the spatial light modulator (domain wall motion device) 50 according to the first embodiment of the present invention includes a
磁壁移動素子10は、磁性細線1の磁性層11(図3参照)が細線方向(x方向)に複数の画素を連続して備える光変調素子であり、上方または下方から入射した光を透過または反射して、画素毎に偏光方向を2値の角度に変化させた光を出射する。したがって、複数の磁壁移動素子10をy方向に並設した空間光変調器50は、画素を二次元配列して備える透過型または反射型の空間光変調器である(特許文献8,9参照)。画素とは、空間光変調器による表示の最小単位での情報(明/暗)を表示する手段を指す。空間光変調器50は、y方向における画素数の磁壁移動素子10を、y方向における1画素の長さ(画素長)のピッチで並設して備える。図1では、簡潔に説明するために8個の磁壁移動素子10を示す。空間光変調器50は、後記するように、磁性細線1および枠体6を形成された基板71と、電極21,22および絶縁層82を形成された別の基板(支持基板)と、が図2に示す接合面Bで接合されて製造される。
The magnetic domain
(磁壁移動素子)
図3に示すように、磁壁移動素子10は、磁性細線1、および細線方向両端における上面に接続した電極21,22を備え、さらに、磁性細線1の一端近傍の上側に離間して導線(磁界印加部材)3を備える。なお、空間光変調器50においては、磁性細線1と導線3の間に絶縁層82が設けられている。磁性細線1は、垂直磁気異方性材料からなる磁性層11とトポロジカル絶縁体からなるチャネル層12とを積層して細線状に形成してなる。電極21,22がチャネル層12に接続するために、磁壁移動素子10において、磁性細線1は上層にチャネル層12を備える。
(Magnetic domain wall motion element)
3, the domain
本実施形態において、磁性細線1を構成する磁性層11およびチャネル層12のそれぞれは、厚さと幅が一様な直線状に形成されている。磁性細線1は、電極21,22のそれぞれとの接続部同士の間に、細線方向に、書込領域1w、表示領域1aに区画される。書込領域1wは、導線3から磁界を印加されて磁化方向を選択的に上向きおよび下向きとされる領域であり、細線方向において1画素の長さ(画素長)以上に設定される。表示領域1aは、空間光変調器50の表示領域を構成し、細線方向に画素が連続した領域である。表示領域1aは、細線方向長を、画素長と細線方向(x方向)における画素数との積に設定される。
In this embodiment, the
磁性層11は、磁壁移動素子10の主要部材であり、一部の領域の磁化方向が上向きまたは下向きの所望の方向を示して、ファラデー効果やカー効果により、入射した光を透過、反射する際に偏光方向を2値の角度(+θk/-θk)に変化させる。磁性層11は、細線状に形成された垂直磁気異方性材料からなり、細線方向に、磁化方向が上向きと下向きの磁区の2以上の磁区に分割されている。
The
磁壁移動素子10は、磁性層11の各画素で反射した光を所望の偏光方向に変化させる。そのために、磁性層11は、垂直磁気異方性材料の、保磁力が比較的大きくないものを適用されることが好ましく、さらに磁気光学効果の高いものが好ましく、MRAMの磁気抵抗効果素子等に適用されるCPP-GMR(Current Perpendicular to the Plane Giant MagnetoResistance:垂直通電型巨大磁気抵抗)素子やTMR(Tunnel MagnetoResistance:トンネル磁気抵抗)素子の磁化自由層に用いられる公知の磁性材料を適用することができる。具体的には、Fe,Co,Ni等の遷移金属とPd,Ptのような貴金属とを膜厚比1:2~4程度に交互に繰り返し積層したCo/Pd多層膜、または遷移金属とTb等の希土類金属とを交互に繰り返し積層したCo/Tb多層膜等の多層膜、Tb-Fe-Co,Gd-Fe等の希土類金属と遷移金属との合金(RE-TM合金)、L10系の規則合金としたFePt, FePd,CrPt3等が挙げられる。本実施形態においては、チャネル層12のBi等が拡散し易い、Coを含むCo/Tb多層膜やCo/Pt多層膜が特に好適である。
The domain
磁性層11は、厚さおよび幅に対して十分に長い細線状に形成される。さらに、磁性層11は、厚さと幅の積である断面積が小さいほど、磁性細線1に供給する電流を小さくすることができる。一方、磁性層11は、磁化の保持のためにある程度の保磁力を有するように、厚さおよび幅を有することが好ましく、また、厚さが大きいほど光変調度が高く(カー回転角θkが大きく)なり、具体的には、厚さが5nm以上であることが好ましく、10nm以上であることがより好ましい。ただし、磁性層11は、材料にもよるが、厚さが20nm程度を超えると光変調度の上昇が鈍化し、さらに厚膜化すると垂直磁気異方性が保持され難い場合がある。また、磁性層11が厚いと磁区を区切る磁壁が移動し難くなる。したがって、磁性層11は、厚さが30nm以下であることが好ましく、20nm以下であることがより好ましい。また、細線幅が1画素の細線方向長の2倍以下であることが好ましい。さらに、画素が広いことが好ましく、入射光の波長にもよるが、磁性細線1の幅、および1画素の細線方向長が、200~300nm程度以上であることが好ましい。
The
チャネル層12は、電流を流すパスであり、磁性層11の上面に積層され、磁性層11と同じ平面(xy面)視形状に形成される。チャネル層12は、電流が流れるとスピンホール効果(SHE)によってスピン流を発生させる薄膜であり、SOT効果の高い、BiSb,BiSe等のトポロジカル絶縁体が適用される。チャネル層12は、厚さが1nm以上であることが好ましく、10nm以下であることが好ましい。
The
磁性細線1は、チャネル層12の上に、Ru膜が数原子分の厚さで積層されていてもよい(図示省略)。Ruは、凹凸の隙間に入り込むように堆積する特性を有するので、極薄の膜であっても、トポロジカル絶縁体からなるチャネル層12の表面の凹凸を平坦化することができ、磁性細線1の電極21,22との接合面を平滑化する。Ru膜は、厚さが数原子分であり、0.2~3nmであることが好ましい。また、磁性細線1は、磁性層11の下に、基板71への密着性を確保するための下地膜を備えていてもよい。下地膜は、Ru,Ta,Cu,Pt,Au,W等の非磁性金属材料や、MgO,SiO2,SiN等の絶縁膜を適用することができ、厚さ1~10nmが好ましい。
The
電極21および電極22は、磁性細線1に、外部から、磁性層11の磁壁を移動させる電流を細線方向(+x方向または-x方向)に供給するための端子である。そのために、電極21,22は、磁性細線1の両端で、チャネル層12に(またはRu膜を介して)接続する。本発明において、電極21,22は、後記するように、磁性細線1上に成膜して形成せず、基板71とは別の基板(第2基板、支持基板73)上に形成した後に、磁性細線1に接合する。そのために、電極21,22は、金属電極材料の中でも、Au,Cu,W,Al,Agやこれらの合金を適用することが好ましく、Auが特に好ましい。また、電極21,22は、絶縁層82のSiO2で形成された部分との界面に、Ta,TaN,Ti,TiN,TiW等からなるバリア膜を備えていてもよい。ただし、空間光変調器50の製造時の接合前に接合面Bを十分に平滑化し難いので、バリア膜が接合面Bに設けられていないことが好ましい。電極21,22は、厚さが50nm以上であることが好ましく、さらに磁性細線1に供給する電流の大きさに対応した厚さや幅に形成される。また、電極21,22は、異なる金属電極材料で2層以上の構造としてもよく、磁性細線1に接合する層にAu等を適用し、それ以外には前記金属電極材料の他、さらにTa,Cr,Pt,Pd,Ruやその合金等の一般的な金属電極材料を適用することができる。
The
導線3は、磁性層11に、その細線方向における所定の一部の領域(書込領域1w)において、磁界を上向きおよび下向きに選択的に印加する磁界印加手段である。導線3に、磁性細線1の細線幅方向(+y方向または-y方向)に電流を流すことにより、磁性層11において上向きまたは下向きの磁界を発生させる。したがって、導線3は、y方向の細線状で、磁性層11を磁化反転させる磁界を発生させる電流の大きさに対応した厚さや幅に形成され、磁性細線1の書込領域1wの直上または直下に配置される。導線3は、電極21,22の材料に挙げた一般的な金属電極材料を適用することができ、電極21,22と同じ材料を選択してもよい。導線3は、より強い電界を磁性層11に印加するために、磁性細線1にリーク電流が流れない範囲で、磁性層11との間隔が短いことが好ましい。導線3は、磁性細線1の上下いずれの側に配置されていてもよく、本実施形態では、電極21,22と同じ上側に配置される。したがって、導線3と磁性細線1との間には、絶縁層82が設けられる。本実施形態に係る空間光変調器50においては、すべての磁壁移動素子10が導線3を共有することができ、すなわち、導線3は、そのすべての磁性細線1を横断するように設けられている。また、電流の大きさに対して強い磁界を発生させるために、図2および図3に示すように、導線3は、磁性細線1の細線方向(x方向)に2本を並設して備えることが好ましい。これら2本の導線3は互いに逆向きに電流を流すために、図1においては、空間光変調器50の磁性細線1を並設した領域の外でヘアピン状に屈曲させた1本に形成されている。
The
基板71は、磁性細線1を支持する土台であり、さらに、後記の絶縁層82および枠体6と共に磁性細線1を内側に密閉して外部環境と遮断する。基板71は、磁性細線1の形成時の温度(フォトリソグラフィ、磁性層11およびチャネル層12の成膜)に対する耐熱性を有する公知の基板材料が適用できる。基板71は、少なくとも表面(磁性細線1の形成面)が絶縁体であり、金属等、導体の場合には、表面に後記の絶縁層82の材料に挙げる絶縁膜を形成する。また、後記するように、磁性細線1を形成した基板71を、電極21,22を形成した支持基板73と接合するので、十分な強度を有する厚さとする。基板71は、平面視形状が枠体6の外形以上の大きさであればよく、図1においては矩形とするが、特に限定されない。また、基板71は、上に形成される磁性細線1の表面を平滑とするために、表面を十分に平滑とする。空間光変調器50が透過型の空間光変調器または基板71側を光の入出射面とする反射型の空間光変調器である場合には、基板71は透明基板を適用する。具体的には、SiO2(酸化ケイ素、ガラス)、ソーダガラス、MgO(酸化マグネシウム)、サファイア、GGG(ガドリニウムガリウムガーネット)単結晶基板の他、各種透明プラスチック基板等が挙げられる。空間光変調器50が磁性細線1の電極21,22を接続した側を光の入出射面とする反射型の空間光変調器である場合には、基板71は前記の透明基板の他に、表面を熱酸化したシリコン基板や表面に絶縁膜を形成した金属基板を適用することができる。
The
絶縁層82は、支持基板73上に電極21,22と共に設けられ、電極21,22の周囲を電極21,22の表面と面一とする。したがって、磁性細線1の上面は、電極21,22と接続している領域以外では絶縁層82と接合している。また、絶縁層82は、後記の枠体6とも接合している。絶縁層82により、空間光変調器50における接合面積を広くすることができる。絶縁層82は、SiO2,Al2O3,MgO等の酸化膜、SiOC(炭素添加シリコン酸化物)、Si窒化物(SiN)、AlN等の半導体素子に設けられる公知の無機絶縁材料を適用することができ、異なる材料で2層以上の構造としてもよい。本実施形態において、絶縁層82は、CMP法等により表面を平滑に加工し易いSiO2,SiOCのようなSi酸化物またはこれを基とするSi化合物が好ましく、少なくとも表面(磁性細線1との接合面)から厚さ1μm程度において適用することが好ましい。
The insulating
枠体6は、基板71と絶縁層82に挟まれて、これらと共に磁性細線1を内側に密閉し、また、空間光変調器50における接合面積を広くして接合強度を高くする。枠体6は、基板71上に、磁性細線1と同じ材料で同時に形成され、したがって厚さも磁性細線1と同じである。枠体6は、図1では矩形の枠状であるが、空間光変調器50において並設した磁性細線1をまとめて囲繞する形状であれば、特に限定されない。また、枠体6は、磁性細線1を密閉し、かつ絶縁層82と接合するための十分な強度が得られるような枠幅に設計する。
The
〔空間光変調器の製造方法〕
本発明の第1実施形態に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)の製造方法は、図4に示すように、基板71(第1基板)上に、磁性細線1および枠体6が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程S22と、基板71上に、磁性細線1の磁性層11の材料とチャネル層12の材料を順次成膜する磁性細線材料成膜工程S24と、90℃以下でマスクを除去するリフトオフ工程S25と、電極21,22、導線3、および絶縁層82が形成された支持基板(第2基板)73を、電極21,22が磁性細線1に接合するように、基板71と90℃以下で貼り合わせる基板接合工程S4と、を順に実行する。本実施形態ではさらに、基板接合工程S4よりも前に、支持基板73上に、電極21,22、導線3、および絶縁層82を形成する電極基板形成工程S3を実行し、基板接合工程S4の後に支持基板73を除去する基板除去工程S5を実行する。本実施形態に係る空間光変調器の製造方法は、磁性細線1が形成された(S24)後に90℃を超える温度とならないように実行する。好ましくは80℃以下で、より好ましくは50℃以下で、さらに好ましくは常温で実行する。
[Method of manufacturing spatial light modulator]
4, the method for manufacturing the spatial light modulator (domain wall motion device) according to the first embodiment of the present invention sequentially includes a masking step S22 for forming a mask on a substrate 71 (first substrate) with an area for forming the
本実施形態では、基板71上において、枠体6と磁性細線1の表面を同一平面上で平坦とし、かつ平滑に形成し、さらに前記平面から上へ突出した部材がないようにする。基板71においては、この平面が接合面Bとなる。また、支持基板73上において、電極21,22と絶縁層82で、表面(支持基板73を下側にした上面)全体を平坦かつ平滑に形成して、接合面Bとする。以下、各工程について、図5A~5C、図6A~6B、および図7を参照して詳細に説明する。なお、図5A~5Cおよび図6A~6Bは、切断部端面図を示す。
In this embodiment, on the
(電極基板形成工程)
電極基板形成工程S3は、支持基板73上に、電極21および電極22をそれぞれの所定の領域に形成し、それ以外の領域に絶縁層82を形成し、また、表面全体が平坦かつ平滑な状態となるようにする。そのために、電極基板形成工程S3は、一例として、支持基板73上に絶縁層82を形成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S31と、電極21,22が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程S32と、前記絶縁膜をエッチングする絶縁膜エッチング工程S33と、マスクを除去するマスク除去工程S34と、電極21,22を形成する金属電極材料を成膜する電極材料成膜工程S35と、平滑化工程S36と、を順に実行する。本実施形態においてはさらに、導線3を、表面に露出しないすなわち絶縁層82で被覆されるように、電極21,22よりも厚さを小さく形成する。そのために、電極基板形成工程S3は、工程S31~S35を2回繰り返す。電極21,22および導線3は、材料、厚さ、およびパターン形状に応じて、電気めっき、無電解めっき、スパッタリング、印刷等の公知の方法を選択することができ、ここではめっきで成膜する。絶縁層82は、例えばSiO2で形成される場合、CVD(Chemical Vapor Deposition:化学気相成長)法で成膜することができる。
(Electrode substrate forming process)
In the electrode substrate forming step S3, the
支持基板73は、空間光変調器50の製造時において、電極21,22、導線3、および絶縁層82を形成するための土台である。支持基板73は、基板71の材料に挙げた公知の基板を適用することができる。ただし、支持基板73は、基板除去工程S5で除去されて空間光変調器50に設けられていないので、表面(電極21,22等の形成面)が絶縁体でなくてよく、例えば金属板を適用することにもできる。また、支持基板73は、基板除去工程S5での除去方法に対応した基板材料を適用することが好ましい。
The
電極基板形成工程S3は、始めに、支持基板73上に、スパッタリング等により、金属膜を成膜してシード層2sとする。なお、支持基板73が金属板である場合にはシード層は不要である。次に、シード層2s上に、絶縁層82を形成する絶縁膜(例えば、SiO2。図中、符号「82´」を付して表す。)を導線3の厚さよりも厚く成膜する(S31)。そして、フォトリソグラフィにより電極21,22および導線3を形成する領域を空けたマスクを形成し(S32)、エッチングにより絶縁膜を除去して(S33)シード層2sを露出させる(図5A)。次に、電気めっきにより、シード層2sが露出した領域に、電極21,22を形成する金属電極材料(例えば、Au)を導線3の厚さに成膜して、導線3、および電極21,22を導線3と同じ厚さまで(図中、符号「21´」「22´」を付して表す)形成する(S35、図5B)。2回目の絶縁膜成膜工程S31ではその上に、絶縁膜を、1回目の成膜との合計で電極21,22の厚さよりも厚く成膜する。また、2回目のマスク工程S32では電極21,22を形成する領域のみを空けたマスクを形成し、絶縁膜エッチング工程S33でめっき膜21´,22´上の絶縁膜を除去する(図5C)。電極材料成膜工程S35で、電気めっき、無電解めっき、またはスパッタリング等により、めっき膜21´,22´が露出した領域にさらに金属電極材料を合計で電極21,22の厚さよりも厚くなるように成膜する。
In the electrode substrate forming step S3, first, a metal film is formed on the
平滑化工程S36は、支持基板73の接合面である電極21,22および絶縁層82の表面を平坦化かつ平滑化する。CMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)法により、Auおよび絶縁膜が所定の厚さ(電極21,22の厚さ)になるように表面を研削し、さらに研磨して平坦化かつ平滑化する。例えば基板接合工程S4での接合方法が表面活性化接合(Surface Activated Bonding:SAB)の場合には、表面の算術平均粗さRaが1nm以下であることが好ましい。また、後記するように、Si膜を接着層として接合する場合には、Si膜の成膜前の表面の算術平均粗さRaが1nm以下であることが好ましい。
In the smoothing step S36, the surfaces of the
(マスク工程、磁性細線材料成膜工程、リフトオフ工程)
マスク工程S22は、フォトリソグラフィにより、基板71上に、リフトオフ用のフォトレジストで、磁性細線1および枠体6が形成される領域を空けたマスクPR2を形成する(図6A)。フォトレジストは、溶剤溶解型等の、アッシング(灰化)によらずにマスク除去可能なものを適用する。磁性細線材料成膜工程S24は、マスクPR2の上から、基板71上に、スパッタリングにより、磁性細線1の磁性層11を形成する磁性材料、チャネル層12を形成するトポロジカル絶縁体を順に成膜して、マスクPR2の溝に埋め込む(図6B)。リフトオフ工程S25は、マスクPR2を形成するレジストに対応した、N-メチル-2-ピロリドン(NMP)等の溶剤により、マスクPR2を溶解して除去する。このとき、溶剤の液温等は90℃以下とする。これら一連の工程S22,S24,S25(適宜、磁性細線基板形成工程S2と称する)により、基板71上に、磁性細線1および枠体6が一様な高さに形成される。
(Mask process, magnetic nanowire material deposition process, lift-off process)
In the masking step S22, a mask PR2 is formed on the
(基板接合工程)
基板接合工程S4は、基板71と支持基板73を、それぞれの裏面を外側にして向かい合わせて貼り合わせて、基板71上の磁性細線1を支持基板73上の電極21,22および絶縁層82に接合すると共に、基板71上の枠体6を絶縁層82に接合する(図7)。磁性細線1への熱によるダメージを抑制するために、常温で、無加圧またはこれに近い低加圧で接合することが好ましく、このような接合方法として、半導体素子基板同士をハイブリッド接合する公知の方法を適用することができる。例えば表面活性化接合が挙げられ、不活性ガス雰囲気にて、この不活性ガスのイオンやプラズマを基板71,73の表面(磁性細線1および枠体6、電極21,22および絶縁層82)に照射することにより表面を活性化し、活性化した表面同士を接触させることにより接合される。
(Substrate bonding process)
In the substrate bonding step S4, the
または、Si膜を接着層として接合することもできる(後藤正英,他,“常温ウェハ接合を用いた画素並列信号処理イメージセンサの多層化技術” ,映像情報メディア学会創立70周年記念大会講演予稿集,32E-2,2020年)。Si膜は、基板71の接合面(磁性細線1および枠体6の上)、支持基板73の接合面(電極21,22および絶縁層82の上)のいずれか一方または両方に設ける。基板71にSi膜を形成する場合には、磁性細線材料成膜工程S24で、磁性細線1の材料に続けて成膜することができる。支持基板73にSi膜を形成する場合には、平滑化工程S36の後に、スパッタリング等によりSi膜を成膜する。Si膜は、厚さが3nm以上であることが好ましく、一方、接合面B近傍で接続不良を生じないように10nm未満とし、基板71、支持基板73の双方にSi膜を設ける場合には、合計で10nm未満とする。厚さ10nm未満のSi膜であれば、電極21,22が貫通して磁性細線1(チャネル層12)に接続する。
Alternatively, a Si film can be bonded as an adhesive layer (Masahide Goto et al., "Multilayer Technology for Pixel-Parallel Signal Processing Image Sensors Using Room-Temperature Wafer Bonding," Abstracts of Lectures Commemorating the 70th Anniversary of the Founding of the Institute of Image Information and Television Engineers, 32E-2, 2020). The Si film is provided on either or both of the bonding surface of the substrate 71 (on the
(基板除去工程)
基板除去工程S5は、支持基板73を除去し、さらにシード層2sを形成していた場合にはこれも除去して、電極21,22、絶縁層82、および導線3を露出させる。支持基板73の除去方法は、剥離等、公知の方法を適用することができる。以上の手順により、磁性細線1へのダメージを低減して、空間光変調器50を製造することができる。なお、磁性層11がRE-TM合金等の酸化し易い材料からなる場合には、磁性細線材料成膜工程S24から基板接合工程S4までを、真空や不活性ガス雰囲気等の非酸化雰囲気で実行することが好ましい。
(Substrate removal process)
In the substrate removal step S5, the
電極基板形成工程S3で、シード層2sを、絶縁膜(SiO2)を成膜する(S31)前ではなく、絶縁膜をエッチングした(S33)後に支持基板73(穴、溝の底面)および絶縁膜の段差を含む全面に形成することもできる。または、電極材料成膜工程S35で、無電解めっきによりAuを成膜してもよい。これらの場合、めっきにより、パターン加工した絶縁膜の表面を含む全面にAu膜が成膜されるので、その次に、CMP法により、Au膜を研削して絶縁膜を露出させる。また、支持基板73の全面に成膜したシード層2sの上にマスクを形成して(S32)、電気めっきによりAuを成膜し(S35)、マスク除去(S34)後に、全面エッチングによりめっき膜のない領域のシード層2sを除去してもよい。これらの工程により、支持基板73上に、導線3、および電極21,22が導線3と同じ厚さまで形成される。次に、支持基板73上に、めっき膜(Au)の上から、SiO2を絶縁層82および電極21,22の厚さよりも厚く成膜する(S31)。そして、工程S32,S33,S34,S35を順に実行して、電極21,22を形成する領域におけるSiO2を除去して、Auを露出させ、無電解めっきにより、Auを、先のめっき膜と合わせて電極21,22の厚さよりも厚くなるように成膜する。その後に、平滑化工程S36で、AuおよびSiO2が電極21,22の厚さになるように、表面を研削、研磨する。
In the electrode substrate forming step S3, the seed layer 2s can be formed on the entire surface including the support substrate 73 (bottom surface of holes and grooves) and the step of the insulating film after etching the insulating film (S33) rather than before forming the insulating film (SiO 2 ) (S31). Alternatively, in the electrode material film forming step S35, Au can be formed by electroless plating. In these cases, the Au film is formed on the entire surface including the surface of the patterned insulating film by plating, and then the Au film is ground by CMP to expose the insulating film. Alternatively, a mask can be formed on the
〔空間光変調器の動作〕
(書込方法)
磁壁移動素子10は、磁性細線1の書込領域1wにおいて、磁界印加用電流源を接続された導線3からの磁界により、磁性層11を上向きまたは下向きの所定の磁化方向の磁区に形成された後、電極21,22に接続した磁区移動用電流源から磁性細線1に供給される直流電流Imによって、この磁区が表示領域1aにおける所定のxアドレスの画素まで移動される。磁界印加用電流源は、導線3の両端に接続して直流電流を供給し、極性を切り替えることができる。また、本実施形態において、磁壁移動素子10は、SOT方式の磁壁移動素子であり、磁性細線1に供給される電流と同じ方向に磁性層11の磁壁が移動する。したがって、書込領域1w側の電極21に磁区移動用電流源の正(+)極を、電極22に負(-)極を、それぞれ接続する。磁性細線1における電流密度が高いほど、磁壁が高速で移動する。磁性細線1は連続電流よりもパルス電流を供給されることが好ましく、1パルスないし所定パルス数で、磁壁が画素長分移動するように設定され、ここでは1パルスとする。したがって、磁区移動用電流源は、直流パルス電源を適用することが好ましい。そして、パルス電流の停止期間に、磁界印加用電流源で導線3に電流を供給して、書込領域1wに磁界を印加する。xアドレス順に入力されたデータ“1”,“0”に基づく1画素の書込みと、磁性層11における磁壁の画素長分の移動と、を交互に繰り返すことにより、磁性層11の表示領域1aのすべての画素をそれぞれ所望の磁化方向とすることができる。ここでは、データ“1”を上向きの磁化方向、データ“0”を下向きの磁化方向と設定する。
[Operation of spatial light modulator]
(Writing method)
In the magnetic domain
本実施形態に係る空間光変調器50は、すべての磁壁移動素子10が磁界印加手段である導線3を共有して、それぞれの磁性細線1の書込領域1wにおける磁性層11の磁化方向を同じ向きとされる。したがって、空間光変調器50は、磁界印加用電流源を導線3に接続し、磁区移動用電流源を、磁壁移動素子10のそれぞれの電極21または電極22とスイッチを経由して接続して、磁壁移動素子10毎に接続/切断を切替可能とする(特許文献9参照)。このような空間光変調器50は、例えば、第1ステップで、磁界印加用電流源が、磁性層11に磁界を上向きに印加する電流+Iwを導線3に供給する。第2ステップで、1つ目のxアドレスのデータが“1”であるyアドレスに対応する磁壁移動素子10の磁性細線1に、磁区移動用電流源が電流Imを1パルス供給する。第3ステップで、磁界印加用電流源が、第1ステップと極性を反転させて電流-Iwを導線3に供給する。第4ステップで、第2ステップで電流を供給しなかったすべての磁性細線1に、磁区移動用電流源が電流Imを1パルス供給する。第1~第4ステップにより、すべてのyアドレスにおける1つ目のxアドレスのデータが書き込まれる。同様の作業を繰り返すことにより、すべてのxアドレスのデータが書き込まれる。
In the spatial
(光変調動作)
本実施形態に係る空間光変調器50の光変調動作は、従来の磁気光学型空間光変調器と同様である。すなわち、偏光フィルタを透過させる等して1つの偏光成分とした光を入射光として、空間光変調器50の、磁性細線1の表示領域1aが配置された領域(画素アレイ)に入射する。入射角は、0°(z方向)が最も好ましく、より近いことが好ましい。そして、磁性細線1を透過または反射して空間光変調器50から出射した光を、入射光の偏光成分に対して角度+θkまたは-θkのいずれかに回転した偏光成分を吸収軸とするように配置した偏光フィルタ(検光子)に入射させる。この偏光フィルタを透過した光は、データ“1”が書き込まれた画素またはデータ“0”が書き込まれた画素のいずれか一方のみから出射した光である。
(Optical modulation operation)
The light modulation operation of the spatial
(変形例)
磁性細線1は、表示領域1aにおいて、画素同士の境界で磁壁が係止され易くするために、僅かに幅が狭くなるように括れを形成されたり、交互に逆向きに屈曲させてジグザグに形成されたりしていてもよい(特許文献8参照)。また、本実施形態に係る空間光変調器50は、磁性細線1が少なくとも表示領域1aにおいて、画素が二次元配列されるように、直線状または前記の形状で、かつ互いに平行に配置されていればよい。したがって、磁性細線1を表示領域1aの両外側で、隣り合う磁性細線1同士の間隔が広がるように屈曲、湾曲させて、両端の電極21,22との接合部の間隔を広く設けることができ、さらに端部を幅広に形成してもよい。なお、磁性細線1は、書込領域1wから表示領域1aまでにおいては、屈曲角や曲率が、磁性層11での磁壁移動に支障のない範囲に設計する。このような構成により、基板接合工程S4における位置合わせの精度を、y方向における画素長に対して低く抑えることができる。または、磁性細線1の一端側(例えば電極21側)のみの間隔を広げ、他端側の電極22をすべての磁性細線1を横断するy方向の直線状に形成して共有化することもできる。
(Modification)
In order to facilitate the magnetic domain walls at the boundaries between pixels in the
また、磁壁移動素子10は、導線3が磁性細線1の基板71側に配置されていてもよく、そのために、マスク工程S22(磁性細線基板形成工程S2)の前に、基板71上に導線3およびこれを被覆する絶縁層81を形成して(図8に示す第2実施形態参照)絶縁層81の表面を平坦化し、その上に磁性細線1および枠体6を形成する。または、導線3を基板71または支持基板73上に形成せず、基板接合工程S4や基板除去工程S5の後に、導線3を形成したさらに別の絶縁基板を接合してもよい。
In addition, the domain
空間光変調器50は、電極21,22、導線3、および絶縁層82の上に、少なくとも表面(電極21,22等の形成面)が絶縁体の基板72を備えていてもよい(図8参照)。基板72は、基板71の材料に挙げた公知の基板を適用することができる。そのために、電極基板形成工程S3において、支持基板73に代えて基板72に電極21,22等を形成すると共に、基板72と絶縁層82の間にシード層2sを形成せずに電極21,22および導線3を形成し、また、基板除去工程S5を実行しない。この場合には、電極21,22は、磁区移動用電流源と接続可能とするために基板72の端まで延設され、かつ、この延設された部分が、枠体6に接続しないように導線3と同様に絶縁層82に埋設される。そのために、電極基板形成工程S3において、1回目のマスク工程S32で、延設した電極21,22が形成される領域を導線3が形成される領域と共に空けたマスクを形成し、1回目の電極材料成膜工程S35でめっき膜21´,22´(図5B)を延設されたパターンに形成する。または、基板72に絶縁基板を適用し、その裏面(外面)から貫通孔を形成して、電極21,22を露出させる。基板接合工程S4の前または後に基板72に貫通孔を形成することもできるし、電極基板形成工程S3の前に基板72に貫通孔を形成することもでき、さらに貫通孔に金属電極材料を埋め込んで、その上に電極21,22を形成してもよい。
The spatial
本実施形態に係る空間光変調器50は、磁壁移動素子10毎に磁界印加部材3を備えていてもよい。磁壁移動素子10毎の磁界印加部材3は、例えば、薄膜コイルを積層した公知の磁気記録ヘッド構造である。そのために、空間光変調器50は、少なくとも書込領域1wにおいて、磁性細線1同士の間隔を十分に設けて配置することが好ましい。または、磁界印加部材3がさらに、隣り合う磁壁移動素子10同士の間において、磁性材料からなる磁気シールドを備えていてもよい。このような空間光変調器50は、磁壁移動素子10毎に所望のデータを同時に書き込むことができるので、すべての磁性細線1に同時に電流Imを供給して磁壁を移動させてもよく(特許文献8参照)、画素アレイへの書込時間を短縮することができ、さらに、電極21,22をそれぞれ共有化することができる。
The spatial
また、磁壁移動素子10は、磁性細線1がチャネル層12を備えない、STT方式の磁壁移動素子とすることもできる。このような磁性細線1は、磁性層11上に、Ru,Ta,Cu,Pt,Au,W等の非磁性金属材料で厚さ1~10nm程度の保護膜を備えていてもよい。STT方式では、磁性細線1に供給される電流Imと逆方向に磁性層11の磁壁が移動するので、電極21に磁区移動用電流源の負極を、電極22に正極を、それぞれ接続する。
Moreover, the domain
〔第2実施形態〕
本発明の第1実施形態に係る磁壁移動型デバイスの磁壁移動素子は、磁性細線の磁性層に絶縁膜および垂直磁気異方性の磁性膜を積層することで、磁気抵抗効果素子を構成することができる。したがって、磁壁移動型デバイスは、レーストラックメモリとすることができる。また、磁壁移動型デバイスの製造方法において、磁壁移動素子の電極の周囲を絶縁層で埋めなくても、電極と磁性細線を接合し、かつ磁性細線の周囲を外部と遮断することができる。以下、本発明の第2実施形態に係る磁壁移動型デバイスの構成について、図8および図9を参照して説明する。第1実施形態(図1~図7参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Second Embodiment
The domain wall motion element of the domain wall motion type device according to the first embodiment of the present invention can be configured as a magnetoresistance effect element by laminating an insulating film and a magnetic film with perpendicular magnetic anisotropy on the magnetic layer of the magnetic nanowire. Therefore, the domain wall motion type device can be a racetrack memory. In addition, in the manufacturing method of the domain wall motion type device, even if the periphery of the electrode of the domain wall motion type device is not filled with an insulating layer, the electrode and the magnetic nanowire can be joined and the periphery of the magnetic nanowire can be isolated from the outside. Hereinafter, the configuration of the domain wall motion type device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 8 and 9. The same elements as those in the first embodiment (see FIGS. 1 to 7) are given the same reference numerals and will not be described.
本発明の第2実施形態に係る磁気メモリ(磁壁移動型デバイス)50Aは、図8に示すように、基板71と、磁性細線1およびその両端における上面に接続した電極21,22を備えて、基板71上で磁性細線1の細線幅方向に並設した磁壁移動素子10Aと、基板71と磁性細線1の間に形成された絶縁層81と、磁壁移動素子10Aの電極21,22上の基板(絶縁層)72と、絶縁層81と基板72に挟まれ、並設した磁壁移動素子10Aを囲繞する枠体6Aと、を備える。本実施形態に係る磁気メモリ50Aの外観は、図1に示す磁壁移動型デバイス50において、絶縁層82に代えて基板72を備え、基板71上に絶縁層81が積層され、導線3が磁性細線1の下側に配置されて絶縁層81に埋設している。磁気メモリ50Aは、磁壁移動素子10Aの周囲に空隙を有し、磁性細線1の電極21,22との接続部を除く上面および側面ならびに電極21,22の側面と、枠体6Aの内側の側面6sと、が露出し、この空隙は外部と遮断された非酸化雰囲気である。磁壁移動素子10Aは、磁性細線1の磁性層11(図9参照)が細線方向(x方向)に複数のメモリセルを連続して備える記憶素子である。したがって、複数の磁壁移動素子10Aをy方向に並設した磁気メモリ50Aは、レーストラックメモリ(特許文献5~7参照)である。磁気メモリ50Aは、後記するように、磁性細線1および絶縁層81等を形成された基板71と、電極21,22等を形成された基板72と、が図8に示す接合面Bで接合されて製造される。
8, the magnetic memory (domain wall motion device) 50A according to the second embodiment of the present invention includes a
(磁壁移動素子)
図9に示すように、磁壁移動素子10Aは、磁性細線1、および細線方向両端における上面に接続した電極21,22を備え、磁性細線1の一端近傍の下側に離間して導線(磁界印加部材)3を備える。磁壁移動素子10Aはさらに、磁性細線1の他端近傍に、磁気抵抗効果素子(磁気検出手段)4およびその下面に接続した電極43を備える。磁性細線1は、第1実施形態と同様に、垂直磁気異方性材料からなる磁性層11とその上に積層したトポロジカル絶縁体からなるチャネル層12とを細線状に形成してなる。
(Magnetic domain wall motion element)
9, the domain
磁壁移動素子10Aにおいて、磁性細線1は、電極21,22のそれぞれとの接続部同士の間に、細線方向に、書込領域1w、記憶領域1a、読出領域1rの順に区画される。書込領域1wは、第1実施形態と同様に、導線3から磁界を印加されて磁化方向を選択的に上向きおよび下向きとされる領域であり、細線方向においてメモリセル1個の長さ(セル長)以上に設定される。記憶領域1aは、空間光変調器50の表示領域1aに相当し、細線方向にメモリセルが連続した領域である。したがって、記憶領域1aは、細線方向長を、セル長と細線方向(x方向)におけるビット数との積に設定される。読出領域1rは、磁性層11のこの領域における磁化方向を検出するための領域で、磁気抵抗効果素子4が設けられ、細線方向長をセル長以下に設定される。詳しくは、磁性細線1の下面(磁性層11)に、磁性層11の側から順に、障壁層42、磁化固定層41が積層され、磁化固定層41の下面にはさらに電極43が接続している。
In the domain
磁性細線1のその他の構成は、第1実施形態で説明した通りである。ただし、磁性層11は、磁気光学効果が不要であり、一方、ある程度の大きさの保磁力を有していることが好ましい。また、磁性層11は、厚さおよび幅が、磁化の保持や熱擾乱耐性のために必要な大きさであればよく、具体的には、厚さが5nm以上、幅が10nm以上であることが好ましい。同様に、セル長は、10nm以上かつ細線幅の1/2以上であることが好ましい。また、磁性層11は、幅が300nm以下であることが、磁区が幅方向に分割され難く好ましい。
The rest of the configuration of the
磁化固定層41および障壁層42は、読出領域1rにおける磁性層11と合わせた3層の積層構造からなるTMR素子を構成して、磁壁移動素子10Aのデータ読出として、磁性層11の読出領域1rにおける磁化方向を検出するために設けられる。すなわち、磁性層11の読出領域1rが前記TMR素子の磁化自由層となる。磁化固定層41および障壁層42は、磁化自由層となる磁性層11と合わせて、TMR素子として好適な材料および形状であればよい。なお、磁化固定層41は、細線幅方向(y方向)においては、磁性細線1の幅以下の長さ(幅)でもよいし、他の磁壁移動素子10Aの磁化固定層41と短絡しなければ、磁性細線1の外側へ張り出して長く形成されていてもよい。磁化固定層41は、磁化方向が上向きまたは下向きに固定されている。したがって、磁化固定層41は、保磁力が磁性層11の保磁力以上であり、それよりも大きいことが好ましい。そのために、磁化固定層41は、磁性層11と同様に公知の垂直磁気異方性材料を適用することができ、特に、CPP-GMR素子やTMR素子の磁化固定層(参照層)に用いられる材料が好適である。ただし、磁化固定層41は、磁性細線1の形成のためのフォトリソグラフィ(マスク工程S22)における処理温度(ベーク温度)に対する耐熱性を有する材料を選択する。また、磁化固定層41は、厚さが磁性層11の厚さ以上であることが好ましい。障壁層42は、公知のTMR素子の障壁層の絶縁膜であり、MgOを適用することが好ましく、厚さ3nm未満であることが好ましい。障壁層42は、少なくとも磁性層11と磁化固定層41との間、すなわち読出領域1rに設けられ、例えば磁性層11の下面全体に設けられていてもよい。
The magnetization pinned
電極43は、電極21または電極22と対になって、磁気抵抗効果素子4に、外部から、データ読出用の電流を膜面垂直方向(+z方向または-z方向)に供給するための端子である。そのために、電極43は、磁気抵抗効果素子4の磁化固定層41の下面に接続し、また、本実施形態では、外部の電流源と接続するために、磁気メモリ50Aの細線方向一端側(電極22側)の端まで延設されている。電極43は、導線3と同様に公知の金属電極材料で形成することができる。
導線3は、第1実施形態と同様の構成であるが、本実施形態においては、磁性細線1の下側に設けられる。さらに、導線3は、電極43と同じ金属電極材料および厚さとすることにより、後記するように、磁気メモリ50Aの製造において、電極43と同時に形成することができる。
The
基板72は、磁気メモリ50Aの製造時において、電極21,22および枠体6Aを形成するための土台であり、さらに、基板71および枠体6Aと共に磁性細線1を内側に密閉して外部環境から保護する。基板72は、基板71の材料に挙げた公知の基板を適用することができる。なお、電極21,22および枠体6Aを、基板72上に直接に設けずに、絶縁層82を形成した上に設けてもよい。さらに、電極21,22を磁気メモリ50Aの外部と接続するために、階層構造の配線を設けて絶縁層82に形成したスルーホールで電極21,22と接続してもよい。
The
絶縁層81は、基板71上に設けられ、磁気抵抗効果素子4の磁化固定層41および障壁層42、電極43、および導線3を埋め込んで、磁性細線1(磁性層11)の下面を平坦とする。絶縁層81は、絶縁層82の材料に挙げた公知の無機絶縁材料を適用することができ、異なる材料で2層以上の構造としてもよい。例えば、磁化固定層41がRE-TM合金等の酸化し易い材料からなる場合には、その側面に接触する部分(層)に、SiN等の非酸化物やMgOを適用することが好ましい。一方、後記製造方法で説明するように、電極43と共にCMP法により平滑化処理を施す場合には、この層にSiO2,SiOCを適用することが好ましい。
The insulating
枠体6Aは、絶縁層81と基板72に挟まれて、これらと共に磁性細線1および電極21,22を内側に密閉し、また、磁気メモリ50Aにおける接合面積を広くする。枠体6Aの形状は、枠体6と同様である。枠体6Aは、絶縁層81上に、磁性細線1と同じ材料で同時に形成された枠体(第1層)61と、基板72に、電極21,22と同じ材料で同時に形成された枠体(第2層)62と、を接合してなる。したがって、枠体61は、第1実施形態の枠体6と同じ構造である。枠体61と枠体62は、平面視で同一形状または異なる形状であってもよく、十分な接合強度が得られる接合面積であればよい。
The
〔磁気メモリの製造方法〕
本発明の第2実施形態に係る磁気メモリ(磁壁移動型デバイス)の製造方法は、図10に示すように、基板(第1基板)71上に、磁性細線1および枠体6Aが形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程S22と、基板71上に、磁性細線1の磁性層11の材料とチャネル層12の材料を順次成膜する磁性細線材料成膜工程S24と、マスクを除去するリフトオフ工程S25と、電極21,22および枠体62が形成された基板(第2基板)72を、電極21,22が磁性細線1に接合するように、基板71と90℃以下で貼り合わせる基板接合工程S4と、を順に実行する。本実施形態ではさらに、基板接合工程S4よりも前に、基板72上に電極21,22および枠体62を形成する電極基板形成工程S3Aを実行し、マスク工程S22の前に、基板71上に、導線3、電極43、磁化固定層41、障壁層42、および絶縁層81を形成する磁気部材形成工程S1を実行し、磁気部材形成工程S1よりも後に、基板71上のすべての磁壁移動素子10Aの磁化固定層41を上向きまたは下向きの磁化方向に揃える初期化工程(図示省略)を実行する。
[Method of manufacturing magnetic memory]
As shown in Figure 10, a manufacturing method for a magnetic memory (domain wall motion device) according to the second embodiment of the present invention sequentially includes a masking process S22 for forming a mask on a substrate (first substrate) 71, leaving open areas for the
本実施形態では、基板71上において、枠体61の表面と、磁性細線1の電極21,22との接合部における表面を同一平面上で平坦とし、かつ平滑に形成する。基板71においては、この平面が接合面Bとなる。一方、基板72上において、枠体62と電極21,22を突出させて形成すると共に、これらの表面(基板72を下側にした上面)を同一平面上で平坦とし、かつ平滑に形成する。基板72においては、この平面が接合面Bとなる。
In this embodiment, on the
(電極基板形成工程)
電極基板形成工程S3Aは、基板72上に、電極21、電極22、および枠体62を、それぞれの所定の領域に同じ厚さで形成する。本実施形態では、一例として、Cuをスパッタリングにより成膜して電極21,22を形成する。そこで、電極基板形成工程S3Aは、第1実施形態の磁性細線基板形成工程S2と同様の方法で実行することができる。すなわち、基板72上に、電極21,22および枠体62が形成される領域を空けたマスクをリフトオフ用のフォトレジストで形成するマスク工程S32Aと、電極21,22を形成する金属電極材料を成膜する電極材料成膜工程S35Aと、マスクを除去するリフトオフ工程S37と、を順に実行する。電極材料成膜工程S35Aは、スパッタリング等の、下地の表面性状(平滑性)を保持する成膜方法を適用することが好ましい。スパッタリングによる成膜は、厚膜化すると、生産性が低下し、また、金属電極材料にもよるが、平滑性が低下する傾向があるので、電極21,22は過剰に厚くしないことが好ましい。
(Electrode substrate forming process)
In the electrode substrate forming process S3A, the
(磁気部材形成工程)
磁気部材形成工程S1は、基板71上に、磁性細線1の下側に配置される部材を形成して、絶縁層81で表面を平坦に形成する。すなわち、本実施形態において、磁気部材形成工程S1は、基板71上に、導線3および電極43をそれぞれの所定の領域に形成し(S11)、電極43上に磁化固定層41、障壁層42を順に積層し、絶縁層81で障壁層42を含む表面を平坦に形成する(S12~S16)。以下、磁気部材形成工程S1について、図11A~11Cを参照して詳細に説明する。なお、図11A~11Cは、切断部端面図を示す。
(Magnetic member forming process)
In the magnetic member forming step S1, a member to be placed below the
磁気部材形成工程S1において、導線3および電極43は、一例として、その周囲の絶縁層81と共に、第1実施形態の電極基板形成工程S3のように形成することができる。まず、基板71上に、絶縁層81を形成する絶縁膜(例えば、SiO2。図中、符号「81´」を付して表す。)を導線3および電極43の厚さよりも厚く成膜する。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、導線3および電極43を形成する領域における絶縁膜を除去する。そして、金属電極材料(例えば、Au)を、無電解めっきにより、または、スパッタリングによりシード層を成膜した後に電気めっきにより、成膜して絶縁膜の溝に埋め込む。その後、CMP法により表面を研削して、導線3、電極43以外のめっき膜を除去して絶縁膜を露出させ、さらに研磨して表面を平滑とする(図11A)。その上にさらに、絶縁層81を形成する絶縁膜(例えば、SiN)を、磁化固定層41と障壁層42の合計の厚さに成膜する(S12)。この絶縁膜81´上に、フォトリソグラフィにより、エッチング兼リフトオフ用のフォトレジストで、磁化固定層41と障壁層42が形成される領域(読出領域1r)を空けたマスクPR1を形成する(S13)。そして、エッチングにより絶縁膜81´を除去して電極43を露出させる(S14、図11B)。スパッタリングにより、磁化固定層41を形成する磁性材料、障壁層42を形成する絶縁膜を順に成膜して絶縁膜(絶縁層81)の孔に埋め込む(S15、図11C)。その後に、マスクPR1を形成するレジストに対応した条件で、マスクPR1を除去する(S16)。前記条件は、磁化固定層41の材料にもよるが、磁性細線基板形成工程S2のリフトオフ工程S25と同様に90℃以下とすることが好ましい。
In the magnetic member forming step S1, the
工程S11において、導線3および電極43をスパッタリングにより形成することもできる。詳しくは、工程S12~S16のように、基板71上にSiNを導線3および電極43の厚さに成膜し、その上にマスクを形成してSiNを除去し、金属電極材料(例えば、Cu)を成膜した後にマスクを除去する。この場合、基板71は、磁性細線1の表面を平滑とするために、表面を十分に平滑とする。また、平面視で、電極43は、磁性細線1の電極22との接続部および枠体61と重複しないように、導線3は枠体61と重複しないように、それぞれ磁気メモリ50Aの端まで延設しないことが好ましい。このような形状により、導線3および電極43の形成時にその側面の絶縁層81との境界で微小な段差が生じていても、接合に影響しない。なお、このような導線3および電極43を外部の電流源と接続するために、例えば基板71に貫通孔が形成される。
In step S11, the
(磁性細線基板形成工程)
マスク工程S22、磁性細線材料成膜工程S24、およびリフトオフ工程S25、すなわち磁性細線基板形成工程S2は、第1実施形態と同様に実行することができる。
(Magnetic Fine Wire Substrate Forming Process)
The mask step S22, the magnetic nanowire material film forming step S24, and the lift-off step S25, that is, the magnetic nanowire substrate forming step S2, can be performed in the same manner as in the first embodiment.
(基板接合工程)
基板接合工程S4は、第1実施形態と同様に実行することができる。本実施形態では、基板71と基板72を、それぞれの裏面を外側にして向かい合わせて貼り合わせて、基板71上の磁性細線1の両端を基板72上の電極21,22に接合すると共に、基板71上の枠体61を基板72上の枠体62に接合する。なお、Si膜を接着層として接合する場合には、第1実施形態と同様に、磁性細線材料成膜工程S24で、Si膜を、基板71の接合面(磁性細線1および枠体61の上)に形成する。基板72にSi膜を形成する場合には、電極基板形成工程S3Aの電極材料成膜工程S35Aで、電極21,22および枠体62を構成する金属電極材料に続けてSiを成膜する。
(Substrate bonding process)
The substrate bonding step S4 can be performed in the same manner as in the first embodiment. In this embodiment, the
(初期化工程)
初期化工程は、外部から、磁化固定層41にその保磁力を超える磁界を印加して、すべての磁壁移動素子10Aの磁化固定層41を、上向きまたは下向きの磁化方向に揃える。初期化工程は、磁化固定層41を形成した後すなわち磁気部材形成工程S1よりも後であれば、いずれの段階で実行してもよく、基板接合工程S4の後に磁気メモリ50Aに磁界を印加することもできるし、基板接合工程S4よりも前であれば磁化固定層41が形成された基板71に磁界を印加する。
(Initialization process)
In the initialization step, a magnetic field exceeding the coercive force of the magnetization fixed
電極21,22がエッチング(ウェットエッチングまたはドライエッチング)可能なパターンや金属材料である場合には、電極基板形成工程S3Aで、金属膜を加工して電極21,22および枠体62を形成することもできる。すなわち、基板72上の全面にめっきまたはスパッタリングにより金属電極材料を成膜し、または金属箔を貼り付けて金属膜を形成する。この金属膜を、必要に応じて表面を平滑化した後、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、電極21,22および枠体62の形状に加工する。
If the
本実施形態においては、磁性細線1が、その上面の両端のみで電極21,22と接合し、それ以外の領域上は空隙となるので、読出領域1rの障壁層42と絶縁層81との境界で微小な段差を生じてその上の磁性細線1の上面に段差が持ち越されても、接合に影響しない。なお、この段差は、磁性層11における磁壁の移動に影響のない範囲に抑えるようにする。
In this embodiment, the
〔磁気メモリの動作〕
磁気メモリ50Aは、第1実施形態に係る空間光変調器50と同様に、磁界印加用電流源を導線3に接続し、また、磁区移動用電流源を、磁壁移動素子10Aのそれぞれの電極21と電極22の間に、その一方をスイッチを経由して接続して、磁壁移動素子10A毎に接続/切断を切替可能とする。磁気メモリ50Aはさらに、磁壁移動素子10A毎に、データ読出用電流源を電極43と電極22の間に接続する。
[Operation of magnetic memory]
In the
本実施形態に係る磁気メモリ50Aの書込方法は、第1実施形態に係る空間光変調器50と同様の方法である。磁気メモリ50Aの読出方法は、磁性細線1におけるデータを読み出す対象のメモリセルを、磁区移動用電流源から磁性細線1への電流Imの供給により読出領域1rまで移動させた後、電極43と電極22に接続したデータ読出用電流源から、磁性層11の磁壁を移動させる電流よりも小さな定電流を供給する。データ読出用電流源に接続した電圧比較器で磁壁移動素子10Aの出力を参照電位と比較して、磁気抵抗効果素子4の抵抗の高低に対応したデータ“1”,“0”を判定する。したがって、書込と同様に、電流Imを1パルス供給する度に、その停止期間にデータ読出用電流源が定電流を供給して読出領域1rにおける磁化方向を検出して、磁壁移動素子10Aにおけるxアドレス順に1メモリセルずつ順番にデータを読み出すことができる。データ読出は、例えば、磁壁移動素子10Aの1つずつ(yアドレスの1つずつ)を選択して実行してもよいし、全yアドレスを並行して実行することもできる。
The writing method of the
本実施形態に係る磁気メモリ50Aの磁壁移動素子10Aは、電流Imの供給により磁性層11の磁区が移動して電極22側の端に到達すると消失、すなわちメモリセルのデータが消失する。データの読出のために読出領域1rに移動させたメモリセルのデータを磁壁移動素子10Aに継続して記憶させるためには、読み出したデータを一時的に記憶する外部記憶装置を磁気メモリ50Aに接続し、後続のxアドレスのデータの読出と並行して、外部記憶装置のデータを書込領域1wに再び書き込む、すなわち磁界印加用電流源が電流+Iw/-Iwを導線3に供給する(特許文献6,7参照)。または、磁性細線1が、読出領域1rの電極22側に、記憶領域1aと同じ細線長のバッファ(レジスタ)領域を設けられて、メモリセルのデータが消失しないように構成される(特許文献5,6参照)。
In the magnetic domain
本実施形態に係る磁壁移動型デバイスは、第1実施形態のような空間光変調器(図2参照)とすることもできる。この場合、磁気抵抗効果素子4の磁化固定層41および障壁層42、ならびに電極43は不要なので、磁気部材形成工程S1においては、基板71上に導線3およびこれを被覆して上面を平坦とした絶縁層81のみを形成する。または、第1実施形態と同様に、磁気部材形成工程S1を実行せずに、基板71上に直接に磁性細線1および枠体61を形成し、後記変形例のように、電極基板形成工程S3Aで、基板72上に導線3を形成することもできる。
The domain wall moving device according to this embodiment can also be a spatial light modulator (see FIG. 2) like the first embodiment. In this case, the magnetization fixed
(変形例)
本実施形態に係る磁気メモリ50Aは、磁性細線1が直線状でなくてもよく、また、互いに平行に配置されていなくてもよい。したがって、磁性細線1のそれぞれを円弧状に形成して、同心円状に配置してもよい(特許文献7)。この場合、基板71,72を円板状とすることができる。さらに、磁性細線1は、第1実施形態の変形例と同様に、記憶領域1aにおいて、セル同士の境界で括れを形成されたり屈曲させたりしてもよい。また、隣り合う磁性細線1同士の端部における間隔が広がるように屈曲、湾曲させ、さらに端部を幅広に形成してもよい。なお、磁性細線1は、書込領域1wから読出領域1rまで(またはバッファ領域まで)においては、屈曲角や曲率が、磁性層11での磁壁移動に支障のない範囲に設計する。このような構成により、基板接合工程S4における位置合わせの精度を、磁気メモリ50Aの記憶密度に対して低く抑えることができる。または、磁性細線1の一端側(例えば電極21側)のみの間隔を広げ、他端側の電極22をすべての磁性細線1を横断するy方向の直線状に形成して共有化することもできる。
(Modification)
In the
磁気メモリ50Aは、電極21,22を、またはさらに枠体62を、めっき膜とスパッタ膜の2層構造として、めっき膜が、基板72上に形成された絶縁層82に埋設されてスパッタ膜のみが周囲から突出して形成されていてもよい。このような磁気メモリ50Aは、第1実施形態に係る空間光変調器50と同様に、基板72を備えない構成とすることもできる(図14に示す第3実施形態参照)。
The
また、磁壁移動素子10Aは、第1実施形態の磁壁移動素子10と同様に導線3が磁性細線1の上側に配置されていてもよく、そのために、電極基板形成工程S3Aで、基板72上に導線3を形成する。例えば、工程S32A,S35A,S37(電極基板形成工程S3A)を2回繰り返して、電極21,22および枠体62と導線3とを分けて形成する。または、導線3を、電極21,22および枠体62と同時にこれらと同じ厚さで形成し、次に、電極21,22および枠体62を被覆するマスクを形成して、エッチングにより導線3を薄肉化する。または、前記のように、電極21,22および枠体62をめっき膜とスパッタ膜の2層構造として、導線3をめっき膜でのみ形成する(図14に示す第3実施形態参照)。
In addition, the magnetic domain
本実施形態に係る磁気メモリ50Aは、第1実施形態の変形例と同様に、磁壁移動素子10A毎に磁界印加部材3を備えていてもよい。また、磁壁移動素子10Aは、磁性細線1がチャネル層12を備えない、STT方式の磁壁移動素子とすることもできる。
The
本実施形態に係る磁壁移動型デバイスは、レーストラックメモリに限定されず、メモリセル毎、画素毎に磁壁移動素子を備えるSOT-MRAMや空間光変調器とすることもできる(特許文献11参照)。すなわち、図12に示す第2実施形態の変形例に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)50Bは、磁壁移動素子10Bを二次元配列して備え、枠体6Aが、すべての磁壁移動素子10Bを囲繞する。なお、画素(磁壁移動素子10B)の配列方向は、磁壁移動素子10Bの磁性細線1の細線方向(x方向)に合わせなくてもよい。本変形例に係る空間光変調器50Bは、基板71に透明基板を適用し、基板71の側から光を入出射する反射型の空間光変調器である。
The domain wall motion device according to this embodiment is not limited to a racetrack memory, and may be a SOT-MRAM or a spatial light modulator that includes a domain wall motion element for each memory cell and pixel (see Patent Document 11). That is, the spatial light modulator (domain wall motion device) 50B according to the modified example of the second embodiment shown in FIG. 12 includes domain
図12に示すように、磁壁移動素子10Bにおいて、磁性細線1は、電極21,22のそれぞれとの接続部同士の間に、細線方向に、第1磁化固定領域1p1、表示領域1a、第2磁化固定領域1p2の順に区画され、表示領域1aが画素の開口部となる。第1磁化固定領域1p1と第2磁化固定領域1p2においては、それぞれ磁性層11の磁化方向が上向きと下向きに固定されている。そのために、磁壁移動素子10Bは、磁性層11の磁化固定手段として、磁性細線1の上側にナノ磁石33を備える(特許文献11参照)。
12, in the magnetic domain
ナノ磁石33は、x方向長がy方向長および厚さよりも長い、磁性細線1の細線方向に沿った極小の棒磁石である。ナノ磁石33は、電極21,22が形成される領域およびその近傍を避け、磁性細線1の表示領域1aに対向するように配置されることにより、両端を磁化固定領域1p1,1p2に対向させる。ナノ磁石33の両端近傍の下方で発生する磁界により、磁性層11の磁化固定領域1p1,1p2における磁化方向が上向きと下向きとに固定される。ナノ磁石33は、磁性細線1およびこれに電気的に接続する電極21,22に対して、3nm以上空けて配置されることが好ましく、一方、ナノ磁石33は、磁力に対して強い磁界を磁性層11に印加するために、磁性細線1との間隔がより短いことが好ましい。ナノ磁石33は、面内磁気異方性を有する硬磁性材料で形成され、例えば、Fe,Co,Ni等の遷移金属とPd,Ptのような貴金属とを膜厚比2~4:1程度に交互に繰り返し積層したCo/Pt多層膜等の多層膜が適用され、総厚を数十nmとすることができる。
The
本変形例に係る空間光変調器50Bは、1T1R型のメモリセルを備える選択トランジスタ型のMRAMの回路構成に類似し、したがって、画素毎のトランジスタ、配列の列方向に延設してトランジスタのゲートに入力するワード線、行方向に延設したビット線(図示省略)、およびこれらを電極21,22に接続するためのビア51,52をさらに備える。磁性細線1の一端(電極21)はトランジスタを経由してビット線に接続し、他端(電極22)はすべての画素の共通電位に接続する。したがって、これらの要素は基板72(図示省略)上に形成することができる。トランジスタは、例えばMOSFET(金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ)であり、基板72にSi基板を適用して、その表層に形成することができる。ワード線、ビット線、およびビア51,52は、一般的な金属電極材料を適用することができる。したがって、空間光変調器50Bにおいては、表層にトランジスタを形成した基板72上に、ワード線、ビット線、およびビア51,52、ならびにこれらを被覆する絶縁層82が形成され、電極21,22が絶縁層82から突出させて設けられる。
The spatial
本変形例に係る空間光変調器の製造方法は、第2実施形態に係る磁気メモリの製造方法において、磁気部材形成工程S1を実行せず、また、電極基板形成工程S3Aの前に、基板72(Si基板)の表層にトランジスタ(MOSFET)を形成し、その上に各種配線とそれを被覆する絶縁層82を形成し、表面を平坦化してビア51,52を露出させる。詳しくは、トランジスタを形成した基板72の上に、絶縁層82を形成する絶縁膜を成膜する。そして、フォトリソグラフィおよびエッチングによる絶縁膜への貫通孔や溝の形成、貫通孔や溝への金属電極材料の埋込み、絶縁膜の成膜、を順番に繰り返し、さらに必要に応じて途中で平坦化処理を実行し、ビット線、トランジスタに接続するワード線、トランジスタと電極21を接続するビア51、ならびにビット線と電極22を接続するビア52を形成する。そして、CMP法により、表面を平坦化してビア51,52を露出させ、さらに平滑化する。そして、電極基板形成工程S3Aにおいて、スパッタリングおよびリフトオフにより、電極21,22および枠体62を形成する。本変形例においてはその次に、絶縁層82上に、ナノ磁石33をスパッタリングおよびリフトオフにより形成する。
In the manufacturing method of the spatial light modulator according to this modification, the magnetic member forming step S1 is not performed in the manufacturing method of the magnetic memory according to the second embodiment, and before the electrode substrate forming step S3A, a transistor (MOSFET) is formed on the surface of the substrate 72 (Si substrate), various wirings and an insulating
このような手順により、熱によるダメージを、磁性細線1だけでなく、ナノ磁石33に対しても抑制することができる。また、本変形例においては、初期化工程で、ナノ磁石33にその長手方向(+x方向または-x方向)に磁界を印加する。したがって、初期化工程は、基板接合工程S4の後に、または、基板接合工程S4の前かつ電極基板形成工程S3Aの後のナノ磁石33が形成された基板72に実行する。
This procedure makes it possible to suppress damage caused by heat not only to the
磁壁移動素子10Bは、ナノ磁石33が、その端近傍が磁性細線1の磁化固定領域1p1,1p2のそれぞれに対向するように配置されていればよい。したがって、ナノ磁石33は、xy面内におけるx方向以外の一方向、例えばy方向に沿った棒磁石であってもよく、磁壁移動素子10Bは、このようなナノ磁石33を2つ備えて、磁性細線1の磁化固定領域1p1,1p2の一方に+y側の端を、他方に-y側の端を対向するように配置してもよい。さらにこの場合、空間光変調器50Bにおいてy方向に隣り合う2つの磁壁移動素子10Bでナノ磁石33を共有することができる。または、ナノ磁石33は、垂直磁気異方性を有する硬磁性材料で形成されたz方向の棒磁石として、極性を互いに逆向きとした2つが磁性細線1の磁化固定領域1p1,1p2のそれぞれに対向して配置されていてもよい。また、本変形例に係る空間光変調器50Bは、磁壁移動素子10Bが、磁性細線1の下側にナノ磁石33を備えていてもよい。すなわち、ナノ磁石33は、基板71上に形成されて絶縁層81に埋設される。この場合、ナノ磁石33は、磁性細線1の形成のためのフォトリソグラフィ(マスク工程S22)における処理温度(ベーク温度)に対する耐熱性を有する材料を選択する。また、ナノ磁石33は、光の入出射を妨げないように平面視で表示領域1aを避けて配置される。さらに、ナノ磁石33と絶縁層81との境界で微小な段差を生じてその上の磁性細線1の上面に段差が持ち越されても、接合に影響しないように、ナノ磁石33は、平面視で磁性細線1の電極21,22との接続部を避けて配置される。そのために、ナノ磁石33は、前記したように、xy面内におけるx方向以外の一方向に沿った棒磁石、またはz方向の棒磁石とする。
In the domain
本変形例に係る空間光変調器50Bは、磁壁移動素子10Bが、磁性層11の磁化固定手段として、磁化固定領域1p1,1p2において磁性層11に磁気的に結合した磁化固定層を備えていてもよい。すなわち、図13に示す第2実施形態の別の変形例に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)50Cは、磁化固定層31,32を備えた磁壁移動素子10Cを二次元配列して備える。磁壁移動素子10Cは、磁壁移動素子10Bのナノ磁石33に代えて、磁性細線1の下面(磁性層11)に、第1磁化固定領域1p1において、磁性層11の側から順に、磁気結合膜34、磁化固定層31を、第2磁化固定領域1p2において、磁気結合膜34、磁化固定層32を、それぞれ積層して備える。空間光変調器50Cのその他の構成は、空間光変調器50Bと同様である。
In the spatial
磁化固定層31および磁化固定層32は、磁性層11に磁気的に結合して、結合した領域における磁化方向を同じとする。磁化固定層31,32は、保磁力が磁性層11の保磁力以上であり、それよりも大きいことが好ましく、磁気抵抗効果素子4の磁化固定層41と同様の磁性材料を適用することができる。磁化固定層31,32は、細線幅方向(y方向)においては、磁性細線1の幅以上の長さ(幅)とし、磁性細線1の外側へ張り出して長く形成されていてもよい。磁化固定層31と磁化固定層32は、互いに逆向きの磁化方向に固定され、そのために互いに異なる保磁力を有することが好ましい。そこで、磁化固定層31と磁化固定層32は、磁性材料、厚さ、平面視形状のアスペクト比のいずれかが、互いに異なるものとする。磁化固定層31と磁化固定層32は、特に、平面視形状を異なるものとすることにより、空間光変調器50Cの製造において同時に形成することができ、例えば、磁化固定層31は磁性細線1と同程度の幅に形成し、磁化固定層32は磁性細線1の外側へ張り出してy方向に長く形成する。磁気結合膜34は、Ru,Ta等の非磁性金属で、厚さ1~10nm程度に形成される。なお、磁壁移動素子10Cは、磁気結合膜34を設けずに、磁化固定層31,32を直接に磁性層11に接続してもよい。
The magnetization pinned
本変形例に係る空間光変調器の製造方法は、前記変形例に係る空間光変調器の製造方法において、磁性細線基板形成工程S2の前に、第2実施形態に係る磁気メモリの製造方法における磁気部材形成工程S1の工程S12~S16(図10参照)により、磁化固定層31,32および磁気結合膜34を形成する。詳しくは、基板71上に、絶縁層81を形成する絶縁膜を、磁化固定層31,32と磁気結合膜34の合計の厚さに成膜し(S12)、絶縁膜上に、磁化固定領域1p1,1p2を空けたマスクをフォトリソグラフィにより形成し(S13)、エッチングにより絶縁膜を除去する(S14)。スパッタリングにより、磁化固定層31,32を形成する磁性材料、磁気結合膜34を形成する金属材料を順に成膜して絶縁膜の孔に埋め込んだ(S15)後、マスクを除去する(S16)。
In the method for manufacturing the spatial light modulator according to the present modification, the magnetic pinned layers 31, 32 and the
本変形例においては、初期化工程で、磁界を、印加の向きと強さを変えて2回、磁化固定層31,32に印加する。すなわち、1回目は、磁化固定層31,32の両方の保磁力以上の磁界を印加し、2回目は、磁化固定層31の保磁力未満かつ磁化固定層32の保磁力以上の磁界を、1回目と向きを反転させて印加する(磁化固定層31の方が保磁力が大きい場合)。
In this modified example, in the initialization process, a magnetic field is applied twice to the magnetization fixed
第2実施形態の変形例に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)50B,50Cは、磁壁移動素子が、第2実施形態と同様に磁性細線1に磁気抵抗効果素子4を備えて、SOT-MRAMとすることができる。本変形例に係る磁気メモリは、磁壁移動素子が、磁性細線1の記憶領域1a(磁壁移動素子10B,10Cの表示領域1a)に読出領域1rが内包されて、磁気抵抗効果素子4を備える。磁気メモリにおいては、一例として、ビット線をワード線と同じ列方向に延設し、行方向に延設したソース線および読出ワード線、ならびにメモリセル毎のダイオードをさらに備える。磁壁移動素子の電極22がソース線に接続し、磁気抵抗効果素子4が電極43およびダイオードを経由して読出ワード線に接続する(図示省略)。
In the spatial light modulator (domain wall motion device) 50B, 50C according to the modified example of the second embodiment, the domain wall motion element is provided with a
ダイオードは、例えばSiダイオードであり、基板71上に成膜した多結晶シリコン(poly-Si)に、イオンを注入(ドープ)してp層とn層を形成し、一方に読出ワード線を接続し、他方に電極43を接続する。または、基板71にSi基板を適用して、その表層にダイオードを形成することもできる。なお、ダイオードに代えてトランジスタを備えていてもよい。
The diode is, for example, a Si diode, and ions are implanted (doped) into polycrystalline silicon (poly-Si) formed on the
本変形例に係る磁気メモリの製造方法は、前記空間光変調器の製造方法において、磁気部材形成工程S1で、始めに、基板71上にダイオード、およびこれに接続する電極43、読出ワード線、ならびにこれらを被覆する絶縁膜を形成し、電極43を露出させて表面を平坦な状態とし、さらに平滑化する。そして、第2実施形態に係る磁気メモリの製造方法と同様に磁化固定層41および障壁層42を形成すると共に、その前または後に、磁化固定層31,32および磁気結合膜34、またはナノ磁石33およびその上を被覆する絶縁層81を形成する。または、電極基板形成工程S3Aの次に、絶縁層82上に、ナノ磁石33を形成する。
In the manufacturing method of the magnetic memory according to this modification, in the manufacturing method of the spatial light modulator, in the magnetic member forming step S1, first, a diode, an
〔第3実施形態〕
本発明の第1、第2実施形態に係る磁壁移動型デバイスは、磁壁移動素子の磁性細線の側面を露出させているが、磁性細線の周囲が絶縁膜で埋められていてもよい。以下、本発明の第3実施形態に係る磁壁移動型デバイスの構成について、図14を参照して説明する。第1、第2実施形態(図1~図13参照)と同一の要素については同じ符号を付し、説明を省略する。
Third Embodiment
In the domain wall motion type device according to the first and second embodiments of the present invention, the side surface of the magnetic nanowire of the domain wall motion element is exposed, but the magnetic nanowire may be surrounded by an insulating film. The configuration of the domain wall motion type device according to the third embodiment of the present invention will be described below with reference to Fig. 14. The same elements as those in the first and second embodiments (see Figs. 1 to 13) are given the same reference numerals and description thereof will be omitted.
本発明の第3実施形態に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)50Dは、図14に示すように、基板71と、磁性細線1およびその両端における上面に接続した電極21,22を備えて、基板71上で磁性細線1の細線幅方向に並設した磁壁移動素子10Dと、磁壁移動素子10Dの磁性細線1同士の間を埋める絶縁層81と、磁壁移動素子10Dの電極21,22上の絶縁層82と、基板71と絶縁層82に挟まれ、並設した磁壁移動素子10Dを囲繞する枠体6Bと、を備える。本実施形態に係る空間光変調器50Dの外観は、図1に示す磁壁移動型デバイス50において、基板71上に磁性細線1および枠体6Bにおける下層部である枠体(第1層)61を埋設する絶縁層81が積層され、電極21,22が絶縁層82から下に突出して周囲に空隙を有している。空間光変調器50Dは、磁壁移動素子10Dの周囲に空隙を有し、磁性細線1の電極21,22との接続部を除く上面、電極21,22の側面の一部、および枠体6Bにおける上層部である枠体(第2層)62の内側の側面6sが露出し、この空隙は外部と遮断された非酸化雰囲気である。空間光変調器50Dは、第1実施形態に係る空間光変調器50と同様に、透過型または反射型の空間光変調器である。空間光変調器50Dは、後記するように、磁性細線1および絶縁層81等を形成された基板71と、電極21,22および絶縁層82等を形成された支持基板73(図7参照)と、が図14に示す接合面Bで接合されて製造される。
14, the spatial light modulator (domain wall motion device) 50D according to the third embodiment of the present invention includes a
磁壁移動素子10Dは、磁性細線1、および細線方向両端における上面に接続した電極21,22を備え、さらに、磁性細線1の一端近傍の上側に離間して導線(磁界印加部材)3を備える。空間光変調器50Dにおいては、磁性細線1と導線3の間に空隙を有し、したがって導線3の下面が露出している。磁性細線1は、垂直磁気異方性材料からなる磁性層11とトポロジカル絶縁体からなるチャネル層12とを積層して細線状に形成してなり、チャネル層12に電極21,22が接続する(図3参照)。すなわち、磁壁移動素子10Dは、第1実施形態に係る空間光変調器50の磁壁移動素子10と同様の構成である。ただし、磁壁移動素子10Dは、平面視で電極21,22が磁性細線1に内包され、電極21,22の下面全体が磁性細線1に接続している。磁壁移動素子10Dは、空間光変調器50Dの接合面Bでの接合(基板接合工程S4)における位置合わせの誤差を含めて確実に電極21,22の下面全体が磁性細線1に接続するように、平面視で、詳しくは接合面Bにおいて、電極21,22が磁性細線1に内包される形状に形成される。磁性細線1は、電極21,22との接続面積を確保するように、必要に応じて端部を幅広に形成されていてもよい。
The domain
枠体6Bは、基板71と絶縁層82に挟まれて、これらと共に磁性細線1および電極21,22を内側に密閉し、また、空間光変調器50Dにおける接合面積を広くする。枠体6Bの形状は、枠体6と同様である。枠体6Bは、基板71上に、磁性細線1と同じ材料で同時に形成された枠体(第1層)61と、絶縁層82に、電極21,22と同じ材料で同時に形成された枠体(第2層)62と、を接合してなる。すなわち、枠体6Bは、第2実施形態の枠体6Aと同じ積層構造である。ただし、空間光変調器50Dにおいて、枠体6Bは、第1層61が絶縁層81に埋設し、第2層62の内側の側面6sが露出している。したがって、空間光変調器50Dにおいては、見かけ上、枠体62が、絶縁層81と絶縁層82に挟まれて、これらと共に電極21,22を内側に密閉している。また、枠体6Bは、平面視で枠体62が枠体61に内包され、枠体62の下面全体が枠体61に接続している。枠体6Bは、磁壁移動素子10Dの電極21,22と磁性細線1と同様に、空間光変調器50Dの接合面Bでの接合(基板接合工程S4)における位置合わせの誤差を含めて確実に枠体62の下面全体が枠体61に接続するように、平面視で、詳しくは接合面Bにおいて、枠体62が枠体61に内包される形状に形成される。
The
絶縁層81は、基板71上に設けられ、本実施形態においては、磁壁移動素子10Dの磁性細線1同士の間および磁性細線1と枠体6Bの枠体61の間を埋めて、上面を磁性細線1(チャネル層12)および枠体61と揃えて略平坦とする。絶縁層81は、第2実施形態と同様に公知の無機絶縁材料を適用することができ、例えば、磁性層11がRE-TM合金等の酸化し易い材料からなる場合には、SiN等の非酸化物やMgOを適用することが好ましい。また、基板71の表面(絶縁層81との界面)に、絶縁層81のエッチングストッパ膜となる、絶縁層81に対してエッチング選択性の低い絶縁膜が設けられていてもよい。
The insulating
絶縁層82は、基板71とは別の基板(第2基板)73上に電極21,22と共に設けられ、電極21,22を、支持基板73側の一部を埋設して、接合面B側へ突出させる。したがって、本実施形態においては、絶縁層82は、磁性細線1および絶縁層81との間に空隙を有する。絶縁層82は、第1実施形態と同様に、公知の無機絶縁材料を適用することができ、CMP法等により表面を平滑に加工し易いSiO2,SiOCが好ましい。
The insulating
〔空間光変調器の製造方法〕
本発明の第3実施形態に係る空間光変調器(磁壁移動型デバイス)の製造方法は、図15に示すように、基板(第1基板)71表面の絶縁膜上に、磁性細線1および枠体61が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程S22と、前記絶縁膜を磁性細線1の厚さと同じ深さにエッチングする絶縁膜エッチング工程S23と、基板71上に、磁性細線1の磁性層11の材料とチャネル層12の材料を順次成膜する磁性細線材料成膜工程S24と、90℃以下でマスクを除去するリフトオフ工程S25と、電極21,22、導線3、および枠体62が形成された基板(第2基板)73を、電極21,22が磁性細線1に接合するように、基板71と90℃以下で貼り合わせる基板接合工程S4と、を順に実行する。本実施形態ではさらに、マスク工程S22よりも前に、基板71上に絶縁層81を形成する絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S21を実行する。一連の工程S21~S25を、適宜、磁性細線基板形成工程S2Aと称する。また、基板接合工程S4よりも前に、支持基板73上に、電極21,22、導線3、枠体62、および絶縁層82を形成する電極基板形成工程S3Bを実行し、基板接合工程S4の後に支持基板73を除去する基板除去工程S5を実行する。
[Method of manufacturing spatial light modulator]
15, the method for manufacturing the spatial light modulator (domain wall motion device) according to the third embodiment of the present invention includes the steps of: a masking step S22 for forming a mask on an insulating film on the surface of a substrate (first substrate) 71, the masking step S22 leaving an area for the
本実施形態では、第1実施形態と同様に、基板71上において、枠体61と磁性細線1の表面を同一平面上で平坦とし、かつ平滑に形成する。基板71においては、この平面が接合面Bとなる。基板71上においてはさらに、磁性細線1同士の間および磁性細線1と枠体61の間を埋める絶縁層81を形成し、その表面を接合面Bと略面一とする。一方、支持基板73上において、枠体62と電極21,22を突出させて形成すると共に、これらの表面(支持基板73を下側にした上面)を同一平面上で平坦とし、かつ平滑に形成する。支持基板73においては、この平面が接合面Bとなる。支持基板73上においてはさらに、電極21,22の支持基板73側の部分を埋設する絶縁層82を形成する。
In this embodiment, as in the first embodiment, the surfaces of the
(電極基板形成工程)
電極基板形成工程S3Bは、支持基板73上に、電極21、電極22、および枠体62を、それぞれの所定の領域に同じ厚さで形成し、それ以外の領域に絶縁層82を電極21,22等よりも小さい厚さで形成し、また、電極21,22および枠体62の表面が平滑な状態となるようにする。本実施形態においてはさらに、導線3を絶縁層82と同じ厚さで形成する。そのために、電極基板形成工程S3Bは、一例として、支持基板73上に絶縁膜を成膜する絶縁膜成膜工程S31と、電極21,22が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程S32と、前記絶縁膜をエッチングする絶縁膜エッチング工程S33と、マスクを除去するマスク除去工程S34と、金属電極材料を成膜する電極材料成膜工程S35と、平滑化工程S36と、電極21,22および枠体62が形成される領域を空けたマスクを形成するマスク工程S32Aと、金属電極材料を成膜する電極材料成膜工程S35Aと、マスクを除去するリフトオフ工程S37と、を順に実行する。すなわち、電極基板形成工程S3Bは、第1実施形態の電極基板形成工程S3(図4参照)と、第2実施形態の電極基板形成工程S3A(図10参照)と、を順に実行する。
(Electrode substrate forming process)
In the electrode substrate forming process S3B, the
工程S31~S36は、第1実施形態の電極基板形成工程S3と同様である。本実施形態では、工程S31~S35を1回実行し、電極材料成膜工程S35においてめっき膜を導線3の厚さよりも厚く成膜する(図5B参照)。そして次の平滑化工程S36で、表面全体、すなわちめっき膜21´,22´、導線3、および絶縁層82の表面を、平坦化かつ平滑化する。次に、工程S32A,S35A,S37を、第2実施形態の電極基板形成工程S3Aと同様に実行して、めっき膜21´,22´のそれぞれの上にスパッタ膜を積層して電極21,22を形成し、絶縁層82上に枠体62を形成する。
Steps S31 to S36 are the same as the electrode substrate forming step S3 in the first embodiment. In this embodiment, steps S31 to S35 are performed once, and in the electrode material film forming step S35, a plating film is formed to a thickness greater than the thickness of the conductor 3 (see FIG. 5B). Then, in the next smoothing step S36, the entire surface, that is, the surfaces of the plating films 21', 22', the
本実施形態では、電極21,22をめっき膜とスパッタ膜の2層構造として、スパッタ膜を周囲から突出させる。この電極21,22の突出させる層、すなわちスパッタ膜の厚さは、磁性細線1の厚さにもよるが、30nm以上が好ましく、50nm以上がより好ましい。このような構成によれば、電極21,22をスパッタリングのみでは成膜困難な厚膜に形成することができる。なお、枠体62も電極21,22と同様に2層構造としてもよい。
In this embodiment, the
(磁性細線基板形成工程)
磁性細線基板形成工程S2Aは、基板71上に、磁性細線1および枠体61Bの枠体61、ならびにそれらの周囲を平坦に埋める絶縁層81を形成する。したがって、磁性細線基板形成工程S2Aは、第2実施形態の磁気部材形成工程S1の工程S12~S16(図10参照)と同様の方法で実行することができる。すなわち、まず、基板71上に、絶縁層81を形成する絶縁膜(例えば、SiN。図中、符号「81´」を付して表す。)を磁性細線1の厚さ以上の厚さで成膜する(絶縁膜成膜工程S21)。ここでは、後続の絶縁膜エッチング工程S23でエッチング量(深さ)を制御し易くするために、基板71の表面にエッチングストッパ膜(例えば、MgO)が形成されていて、絶縁膜81´を磁性細線1と同じ厚さに成膜する。このとき、磁性細線1の側面全体が確実に絶縁層81に被覆されるように、絶縁膜81´を磁性細線1の厚さの製造ばらつきにおける最大の厚さ以上に成膜することが好ましい。この絶縁膜81´上に、フォトリソグラフィにより、エッチング兼リフトオフ用のフォトレジストで、磁性細線1および枠体61が形成される領域を空けたマスクPR2Aを形成する(S22、図16A)。そして、エッチングにより絶縁膜81´を除去して基板71(エッチングストッパ膜)を露出させる(S23、図16B)。次に、スパッタリングにより、磁性細線1の磁性層11を形成する磁性材料、チャネル層12を形成するトポロジカル絶縁体を順に成膜して絶縁膜(絶縁層81)の孔に埋め込む(S24、図16C)。その後に、マスクPR2Aを形成するレジストに対応した条件で、マスクPR2Aを溶解して除去する(S25)。
(Magnetic Fine Wire Substrate Forming Process)
In the magnetic fine wire substrate forming step S2A, the magnetic
(基板接合工程)
基板接合工程S4は、第1、第2実施形態と同様に実行することができる。本実施形態では、支持基板73上の電極21,22を基板71上の磁性細線1の両端に接合すると共に、を支持基板73上の枠体62を基板71上の枠体61に接合する。Si膜を接着層として接合する場合には、電極基板形成工程S3Bの電極材料成膜工程S35Aで、電極21,22および枠体62を構成する金属電極材料に続けてSiを成膜する。基板71にSi膜を形成する場合には、リフトオフ工程S25の後にSi膜を成膜する。
(Substrate bonding process)
The substrate bonding step S4 can be performed in the same manner as in the first and second embodiments. In this embodiment, the
(基板除去工程)
基板除去工程S5は、第1実施形態と同様に実行することができる。
(Substrate removal process)
The substrate removing step S5 can be performed in the same manner as in the first embodiment.
本実施形態においては、電極21,22がその全面で磁性細線1にのみ接合し、枠体62がその全面で枠体61にのみ接合する。磁性細線1および枠体61と絶縁層81とで表面を完全に面一に形成することは困難であるが、このような構成により、磁性細線1の側面の絶縁層81との境界で微小な段差が生じていても接合に影響しないので、磁性細線1の側面を被覆する絶縁層81を設けることができる。したがって、磁性層11が酸化し易い材料で形成されていても、磁性細線材料成膜工程S24から基板接合工程S4の前までにおいて非酸化雰囲気としなくてよい。また、リフトオフ工程S25において、磁性層11が溶剤等に曝露されることがない。
In this embodiment, the
本実施形態に係る磁壁移動型デバイスは、第2実施形態のような磁気メモリ(図8参照)とすることもできる。この場合、磁性細線基板形成工程S2Aの前に、基板71上に、電極43、磁気抵抗効果素子4の磁化固定層41および障壁層42、ならびにこれらを埋設する絶縁層81を形成する磁気部材形成工程S1を実行する(図10参照)。また、導線3が磁性細線1の基板71側に配置されていてもよい。また、第2実施形態の変形例と同様に、メモリセル毎、画素毎に磁壁移動素子を備えるSOT-MRAMや空間光変調器とすることもできる(図12、図13参照)。
The domain wall motion device according to this embodiment can also be a magnetic memory (see FIG. 8) like the second embodiment. In this case, before the magnetic fine wire substrate forming process S2A, a magnetic member forming process S1 is performed on a
(変形例)
本実施形態に係る空間光変調器50Dは、第1実施形態の変形例と同様に、基板72を備えていてもよい。さらに第2実施形態と同様に、絶縁層82を備えず、電極21,22および枠体62の全体が基板72から突出して形成されていてもよい(図8参照)。すなわち、電極基板形成工程S3Bに代えて電極基板形成工程S3Aを実行し(図10参照)、基板除去工程S5を実行しない。
(Modification)
The spatial
以上、本発明に係る磁壁移動型デバイスおよびその製造方法を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。 Although the above describes various embodiments for implementing the domain wall motion device and the manufacturing method thereof according to the present invention, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims.
10,10A,10B,10C,10D 磁壁移動素子
1 磁性細線
11 磁性層
12 チャネル層
21,22 電極
3 導線、磁界印加部材
41 磁化固定層
42 障壁層
43 電極
50,50B,50C,50D 空間光変調器(磁壁移動型デバイス)
50A 磁気メモリ(磁壁移動型デバイス)
6,6A,6B 枠体
61 枠体(第1層)
62 枠体(第2層)
71 基板(第1基板)
72 基板(絶縁層、第2基板)
73 支持基板(第2基板)
81,82 絶縁層
PR1,PR2,PR2A マスク
S1 磁気部材形成工程
S2,S2A 磁性細線基板形成工程
S21 絶縁膜成膜工程
S22 マスク工程
S23 絶縁膜エッチング工程
S24 磁性細線材料成膜工程
S25 リフトオフ工程
S3,S3A,S3B 電極基板形成工程
S4 基板接合工程
S5 基板除去工程
REFERENCE SIGNS
50A Magnetic memory (domain wall motion device)
6, 6A,
62 Frame body (second layer)
71 Substrate (first substrate)
72 Substrate (insulating layer, second substrate)
73 Support substrate (second substrate)
81, 82 Insulating layer PR1, PR2, PR2A Mask S1 Magnetic member forming process S2, S2A Magnetic fine wire substrate forming process S21 Insulating film forming process S22 Masking process S23 Insulating film etching process S24 Magnetic fine wire material forming process S25 Lift-off process S3, S3A, S3B Electrode substrate forming process S4 Substrate bonding process S5 Substrate removal process
Claims (13)
第1基板上に、前記磁性細線が形成される領域と、平面視ですべての前記磁性細線を囲繞する枠状の領域と、を空けたマスクを形成するマスク工程と、
前記第1基板上に、前記磁性細線の材料を成膜する磁性細線材料成膜工程と、
90℃以下で、前記マスクを除去するリフトオフ工程と、
90℃以下で、前記電極が形成された第2基板を、前記電極が前記磁性細線に接合するように前記第1基板と貼り合わせる基板接合工程と、を順に実行することを特徴とする磁壁移動型デバイスの製造方法。 A method for manufacturing a domain wall motion device in which domain wall motion elements are arranged, the domain wall motion elements including a magnetic nanowire formed in a nanowire shape having a magnetic layer made of a magnetic material and an electrode connected to a part of the magnetic nanowire in a nanowire direction, the method comprising the steps of:
a masking step of forming a mask on a first substrate, the mask having openings corresponding to a region where the magnetic nanowires are to be formed and a frame-shaped region surrounding all of the magnetic nanowires in a plan view;
a magnetic nanowire material deposition step of depositing a film of a material of the magnetic nanowire on the first substrate;
a lift-off process for removing the mask at 90° C. or less;
A substrate bonding process for bonding a second substrate, on which the electrodes are formed, to the first substrate at a temperature of 90° C. or less so that the electrodes are bonded to the magnetic nanowires.
前記マスク工程の後かつ前記磁性細線材料成膜工程の前に、前記絶縁膜を、前記磁性細線の厚さと同じ深さにエッチングする絶縁膜エッチング工程を行う請求項4または請求項5に記載の磁壁移動型デバイスの製造方法。 the first substrate has an insulating film on a surface thereof;
6. The method for manufacturing a domain wall motion type device according to claim 4, further comprising the steps of: performing an insulating film etching step of etching the insulating film to a depth equal to the thickness of the magnetic nanowire after the masking step and before the magnetic nanowire material deposition step.
前記磁性細線材料成膜工程が、前記第1基板上に、前記磁性材料、前記トポロジカル絶縁体の順に成膜する請求項1乃至請求項5のいずれか一項に記載の磁壁移動型デバイスの製造方法。 The magnetic domain wall motion element includes the magnetic nanowire, the magnetic layer being laminated with a channel layer made of a topological insulator, the electrode being connected to the channel layer,
6. The method for manufacturing a domain wall motion type device according to claim 1, wherein the magnetic nanowire material film forming step comprises forming the magnetic material and the topological insulator in this order on the first substrate.
前記電極同士の間を埋めるまたは前記電極上に設けられた一体の絶縁層と、前記絶縁層と前記基板に挟まれて前記磁壁移動素子を配列した領域を囲繞し、前記磁性細線と同じ材料で形成された枠体と、をさらに備え、
前記磁性細線の側面および前記電極との接続部以外の上面の少なくとも一方と、前記枠体の内側の側面の少なくとも一部と、が露出していることを特徴とする磁壁移動型デバイス。 A domain wall motion type device including a substrate and arranged thereon, the domain wall motion elements including a magnetic nanowire formed in a nanowire shape with a magnetic layer made of a magnetic material and an electrode connected to a part of the magnetic nanowire in a nanowire direction, the domain wall motion elements including:
Further comprising an insulating layer that fills the gap between the electrodes or is provided on the electrodes, and a frame that is sandwiched between the insulating layer and the substrate and surrounds a region in which the domain wall motion elements are arranged, and is made of the same material as the magnetic nanowire;
A domain wall motion device, characterized in that at least one of the side surface and the top surface other than the connection portion with the electrode of the magnetic nanowire, and at least a part of the inner side surface of the frame are exposed.
前記磁性細線の、前記電極との接続部以外の上面と、前記電極の側面が露出していることを特徴とする請求項10に記載の磁壁移動型デバイス。 the frame is formed by laminating a first layer made of the same material as the magnetic nanowire and a second layer made of the same material as the electrodes,
11. The domain wall motion device according to claim 10, wherein an upper surface of the magnetic nanowire other than a portion connected to the electrode and a side surface of the electrode are exposed.
平面視で、前記電極が前記磁性細線に内包され、前記枠体の前記第2層が前記第1層に内包される請求項11に記載の磁壁移動型デバイス。 an insulating layer is provided between the magnetic nanowires and between the magnetic nanowires and the first layer of the frame;
The domain wall motion device according to claim 11 , wherein, in a plan view, the electrode is contained within the magnetic nanowire, and the second layer of the frame is contained within the first layer.
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