JP5920927B2

JP5920927B2 - スピン装置およびその製造方法

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Publication number: JP5920927B2
Application number: JP2012284410A
Authority: JP
Inventors: 治樹眞田; 後藤　秀樹; 秀樹後藤; 哲臣寒川; 誠好田; 淳作新田; 達郎大橋
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-12-27
Also published as: JP2014127622A

Description

本発明は、磁性体を用いたスピン装置およびその製造方法に関する。

これまでのナノエレクトロニクスの進化軸は「いかにデバイスを小さく作るか」にあったが、今後は「いかに消費電力を低減するか」に集約されていく見通しがある。ＭＲＡＭ（Magnetoresistive Random Access Memory）や不揮発性ロジックを含めたスピントロニクスも、この方向に沿って技術開発が進むといわれている。既に実用化されているＭＲＡＭでは、外部磁界により、ＭＴＪ（Magnetic Tunnel Junction；磁気トンネル接合）素子のフリー層の磁化の向きを変える。現在は、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの置き換えやキャッシュメモリを目指して、国内外の大手メモリ・メーカーなどによって、スピン偏極電流を利用したスピン注入磁化反転方式のＭＲＡＭの研究開発が進んでいる。

上述した磁気メモリデバイス（スピン装置）は、パソコンなどの日用製品からロボットなどの産業製品における「記憶」の役割を果たしている。我々の生活を支えている高度情報通信社会は、年々必要とする情報量が増加してきている。面内磁気記録方式から垂直磁化材料を用いた垂直磁気記録方式への転換により大容量化を実現している。さらに巨大磁気抵抗効果の発見により読み込み技術は大幅に改善されている。

猪俣浩一郎，田原修一，有本由弘編、「ＭＲＡＭ技術〜基礎からＬＳＩ応用まで〜」、サイペック株式会社、平成１４年。

しかしながら、上述した不揮発性の磁気記憶による記憶素子の書き込みは、外部磁場や素子に直接電流を流す磁化反転技術が用いられているが、これらは高い電流密度を必要とし、微細化に限度があるという問題がある。磁気書き込み方式としては、ワイヤに電流を流して外部磁場を発生させて磁化反転をさせる手法、磁気トンネル接合素子に直接電流を流して磁化反転させる手法などが、実用化および研究されている。

しかしながら、これらの技術では、高い電流密度を必要とするため消費電力が増大している。現在、上述したようなスピン装置の強磁性体（磁性層）の磁化制御にスピントランスファートルク（スピン注入型磁化反転）を用いた場合、磁化反転に必要な電流密度は１０⁶−１０⁸Ａ／ｃｍ²程度に達し、書き込み時の電力消費が深刻な問題となり得る。さらに、これらの技術では、素子加工寸法の縮小化が電流によるジュール熱を増加させ、磁化の熱揺らぎの原因となってしまうため、微細化に向かないという欠点もある。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、スピン装置の消費電力を低減し、より微細化ができるようにすることを目的とする。

本発明に係るスピン装置は、基板の上に形成された垂直磁化容易軸を有する金属からなる磁性層と、磁性層の上に形成された絶縁層と、絶縁層の上に形成された電極とを備える。

上記スピン装置において、電極および磁性層の間に電圧を印加して磁性層に電界を印加する電界印加制御手段を備え、電界印加制御手段は、電極に印加する電圧の正負を切り替え可能としている。

上記スピン装置において、磁性層の下に接して形成された非磁性金属層からなるバッファー層を備えるようにしてもよい。

上記スピン装置において、磁性層は、垂直磁化容易軸を有する金属と非磁性金属との合金から構成されていればよい。

上記スピン装置において、絶縁層は、イオン液体から構成されている。

本発明に係るスピン装置の製造方法は、基板の上に垂直磁化容易軸を有する金属からなる磁性層を形成する工程と、磁性層の上に非磁性の金属酸化物からなる絶縁層を磁性層が大気に触れる前に磁性層を覆って形成する工程と、絶縁層の上に電極を形成する工程とを備える。

以上説明したことにより、本発明によれば、スピン装置の消費電力を低減し、より微細化ができるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態におけるスピン装置の構成を示す断面図である。図２Ａは、本発明の実施の形態におけるスピン装置の製造方法を説明する製造工程における状態を示す断面図である。図２Ｂは、本発明の実施の形態におけるスピン装置の製造方法を説明する製造工程における状態を示す断面図である。図２Ｃは、本発明の実施の形態におけるスピン装置の製造方法を説明する製造工程における状態を示す断面図である。図３は、本発明の実施の形態における他のスピン装置の構成を示す断面図である。図４は、第１試料素子（ａ）および第２試料素子（ｂ）における印加した外部磁場の変化に対する抵抗の変化を示す特性図である。図５は、第１試料素子（黒丸）および第２試料素子（白丸）における電界強度の変化に対する保持力変化を示す特性図である。図６は、第１試料素子（ａ）および第２試料素子（ｂ）における磁性層３０３のＸ線電子分光測定の結果を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるスピン装置の構成を示す断面図である。このスピン装置は、基板１０１の上に形成された垂直磁化容易軸を有する金属からなる磁性層１０２と、磁性層１０２の上に形成された絶縁層１０３と、絶縁層１０３の上に形成された電極１０４とを備える。電極１０４は、磁性層１０２に電界を印加するための電界印加電極である。

また、このスピン装置は、電極１０４および磁性層１０２の間に電圧を印加して磁性層１０２に電界を印加する電界印加制御部１０５を備える。電界印加制御部１０５は、電極１０４に印加する電圧の正負を切り替え可能としている。この印加電圧の正負の切り替えにより、磁性層１０２に印加される電界の方向を切り替え、磁性層１０２を磁化反転させる。

磁性層１０２は、例えばＬ１０型規則合金であるＦｅＰｔ，ＣｏＰｔ，ＦｅＰｄ，ＭｎＧａ，ＭｎＡｌなどの垂直磁化容易軸を有する強磁性金属材料から構成すればよい。また、磁性層１０２は、ＣｏＦｅＢから構成してもよい。例えば、磁性層１０２を層厚１〜２ｎｍのＣｏＦｅＢ膜またはＦｅＰｔ膜から構成し、電界を印加すればよい。これら垂直磁化容易軸を有する金属の膜は、電界を印加すると磁気異方性が制御できることが報告されている。

また、ＣｏやＦｅなど非磁性金属層との界面に生じる磁気異方性により垂直磁化容易軸を有する金属から構成した磁性層１０２の下に接して形成された非磁性金属からなるバッファー層（不図示）を備えるようにしてもよい。バッファー層は、例えば、Ｎｉ，Ｐｄ，Ｐｔなどから構成することができる。例えば、磁性層１０２をＣｏから構成する場合、バッファー層はＰｔから構成すればよい。また、磁性層１０２をＦｅから構成する場合、バッファー層はＮｉもしくはＰｄから構成すればよい。なお、これらの場合、バッファー層と磁性層１０２との積層構造全体で、磁化反転が行われる磁性層と考えることもできる。

ここで、面内磁化容易軸を有する強磁性体では、形状磁気異方性により磁化方向を制御する。この場合、素子の微細化が進むにつれ熱擾乱が顕著になり、磁化方向に揺らぎが生じるため、磁化反転時の書き込みエラーや出力電圧のばらつきの原因となる。これに対し、本実施の形態における上述した垂直磁化容易軸を有する金属材料は、高い磁気異方性を有するため熱擾乱耐性が高く、微細加工による高密度磁気記録に適している。

なお、電極１０４は、例えば、Ａｕから構成すればよい。また、絶縁層１０３は、例えば、酸化アルミニウム（ＡｌＯ），酸化ジルコニウム（ＺｒＯ），酸化ハフニウム（ＨｆＯ）などの絶縁材料から構成すればよい。

本実施の形態では、例えば、磁性層１０２を接地状態とし、電極１０４に所望の制御電圧を印加して磁性層１０２に電界を印加し、電極１０４に印加する制御電圧の正負を電界印加制御部１０５により切り替えることで、磁性層１０２の垂直磁化方向を上向きや下向きに変える。

上述した実施の形態におけるスピン装置によれば、磁性層１０３における磁化方向を電流ではなく電界で制御するため、消費電力がゼロとなり、書き込み時の電力消費を根本から解決できる可能性を持つ。

ところで、絶縁層１０３は、ＢｉＦｅＯ₃などのマルチフェロイック物質から構成してもよい。絶縁層１０３をマルチフェロイック物質から構成した場合、マルチフェロイック物質と磁性層１０２との層間結合を利用し、磁性層１０２の磁化方向の上向きと下向きをマルチフェロイック物質からなる絶縁層１０３により制御することができる。この場合、絶縁層１０３を磁性層１０２に接して形成し、両者の間に接合を形成することが重要となる。

また、絶縁層１０３を、イオン液体から構成してもよい。この場合、電気２重層が構成される。電極１０４に制御電圧を印加すると、電気２重層により強電界が形成され、これにより、より効率的に磁性層１０２の磁化方向を制御できる。

上述した実施の形態におけるスピン装置によれば、スピン装置の消費電力を低減し、より微細化ができるようになる。ここで、前述したように、磁化の反転技術には、スピン注入磁化反転方式がある。この技術によるスピン装置では、不揮発機能を有しているものの、磁化反転に必要な電流密度が１０⁶−１０⁸Ａ／ｃｍ²と非常に大きいため、省電力化には向かない。

これに対し、本実施の形態におけるスピン装置では、電界印加により磁化反転を行っており、磁化反転に必要な消費電流がゼロである。実際に計算すると、スピン注入型磁化反転に必要なエネルギーは、本実施の形態のスピン装置に比較して、１８７倍にもなる。このように、本実施の形態によれば、不揮発性のスピン装置のスイッチング・エネルギーを１８７分の１に低減することが可能である。さらに、本実施の形態では、電流を用いないため、スピン注入磁化反転方式で最大の問題点であるスイッチング時の電流密度を考慮する必要もなく、同時に発生する熱揺らぎも考慮する必要がないという特徴を有する。

次に、本発明の実施の形態におけるスピン装置の製造方法について、図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の実施の形態におけるスピン装置の製造方法を説明する製造工程における状態を示す断面図である。

まず、図２Ａに示すように、基板１０１の上に垂直磁化容易軸を有する金属からなる磁性層１０２を形成する。例えば、スパッタ法または蒸着法などのよく知られた堆積法により前述した磁性層１０２に適用可能な金属材料を堆積すればよい。

次に、図２Ｂに示すように、磁性層１０２の上に絶縁層１０３を形成する。ここで、後述するように、磁性層１０２が大気に触れる前に磁性層１０２を覆って形成することが重要である。例えば、マグネトロンスパッタ装置，イオンビームスパッタ装置などの同一の装置内で、各々原料供給源を変更し、磁性層１０２および絶縁層１０３を連続して形成すればよい。

以上のようにして絶縁層１０３を形成した後、図２Ｃに示すように、絶縁層１０３の上に電極１０４を形成する。例えば、スパッタ法によりＡｕを堆積することで、電極１０４を形成すればよい。ここで、磁性層１０２，絶縁層１０３，電極１０４は、公知のリソグラフィー技術およびエッチング技術などにより加工し、所定の素子形状とすればよい。また、電極１０４は、いわゆるリフトオフ法により所定の電極形状に加工すればよい。

［実施例］
以下、実際に作製した素子の特性について説明する。はじめに作製した素子の構成について説明する。

図３に示すように、シリコン基板３０１の上に、層厚２．４〜３ｎｍ程度のＰｔからなるバッファー層３０２を形成し、バッファー層３０２の上に層厚０．６ｎｍのＣｏからなる磁性層３０３を形成し、磁性層３０３の上に層厚１ｎｍの酸化アルミニウムからなる絶縁層３０４を形成し、絶縁層３０４の上に層厚２０ｎｍの酸化アルミニウムからなる絶縁層３０５を形成した２つの第１試料素子および第２試料素子を作製する。何れの試料においても、絶縁層３０４は磁性層３０３の表面を覆う状態に形成し、絶縁層３０５は、絶縁層３０４の表面を覆う状態に形成する。従って、素子が完成した状態では、磁性層３０３が大気に触れることがない。

第１試料素子は、バッファー層３０２，磁性層３０３，絶縁層３０４を、同一のイオンビームスパッタ装置を用いて連続的に堆積し、続いて、原子層成長装置を用い、絶縁層３０４の上に絶縁層３０５を形成することで作製する。この場合、磁性層３０３は、大気に触れる前に絶縁層３０４に覆われた状態となり、磁性層３０３が大気に触れることなく第１試料素子が作製されることになる。

一方、第２試料素子は、バッファー層３０２，磁性層３０３を同一のイオンビームスパッタ装置を用いて連続的に堆積した後、一度作製途中の素子を大気に暴露し、この後、絶縁層３０４を、イオンビームスパッタ装置を用いて磁性層３０３の上に堆積し、続いて、原子層成長装置を用い、絶縁層３０４の上に絶縁層３０５を形成することで作製する。この場合、磁性層３０３は、一度大気に触れた後で絶縁層３０４に覆われた状態となり、磁性層３０３が一度大気に触れた状態を経てから第２試料素子が作製されることになる。

なお、２つの絶縁層３０４および絶縁層３０５を形成しているが、これは次に示す理由による。まず、磁性層３０３が大気に触れることなくこれを覆う状態に絶縁層を形成する他面、磁性層３０３形成と同一の装置内で絶縁層を形成することが有効である。ここで、磁性層３０３を形成しやすいイオンビームスパッタによる絶縁層３０４では、所望とする絶縁層の特性を得ることが容易ではない。このため、絶縁層３０４はキャップとしての機能のために形成し、可能な範囲で薄く形成する。これに加え、所望とする絶縁層の特性を得るために、原子層成長法により絶縁層３０５を加えて形成している。

上述した第１試料素子および第２試料素子について、印加した外部磁場の変化に対する抵抗の変化を異常ホール効果により測定したところ、図４に示すように、第１試料素子（ａ）は、第２試料素子（ｂ）に比較して、保持力変調幅が大幅に向上した。また、図５に示すように、黒丸で示す第１試料素子の電界強度の変化に対する保持力変化を測定したところ、白丸で示す第２試料素子の電界強度の変化に対する保持力変化より大きい。

なお、各試料素子の磁性層３０３のＸ線電子分光測定を行うと、図６の（ｂ）に示すように、第２試料素子では、ＣｏとＯとが結合していることを示すピークが観測されるが、図６の（ａ）に示すように、第１試料素子では、ＣｏとＯとが結合していることを示すピークは見られない。従って、上述した保持力変調の違い（低下）は、磁性層３０３の酸化によるものと考えられ、磁性層３０３を酸化させずに素子を形成することが重要であることが分かる。このために、磁性層３０３が大気に触れる前に、絶縁層３０４を形成することが重要となる。

以上に説明したように、本発明では、垂直磁化容易軸を有する金属から磁性層を構成し、磁性層の上に絶縁層を介して電極を設け、電極に電圧を印加することで磁性層に電界を印加して磁性層における垂直磁化方向を切り替えるようにしたので、スピン装置の消費電力を低減し、より微細化ができるようになる。また、本発明によれば、絶縁層にマルチフェロイック物質やイオン液体による電気２重層を適用することで、全く新しい磁化反転機構を組み入れた、高速化・省電力化を同時に満足する、ゲート電界磁化制御型スピンＦＥＴ（Field Effect Transistor）が実現できる。

本発明によれば、これまで必要であった外部磁場やスピン偏極電流などが全く必要なく、消費電力をゼロとすることが可能となる。このスピン装置の技術に基づいた論理集積回路が社会に導入されることにより、演算機能を有する様々な装置、パソコンや家庭電化製品、サーバー、通信機器などの消費電力を抑制することができる。例えばテレビやブルーレイ（登録商標）・ＤＶＤレコーダーでは、電力ゼロの待機状態から瞬時に起動することが可能となる。またゲーム機や携帯機器では、常時オフ状態から入力があった瞬間だけ動作させることが可能となる。待機時の静的消費電力がゼロとなるため、大幅な省電力化が実現可能となる。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…基板、１０２…磁性層、１０３…絶縁層、１０４…電極、１０５…電界印加制御部。

Claims

基板の上に形成された垂直磁化容易軸を有する金属からなる磁性層と、
前記磁性層の上に形成された絶縁層と、
前記絶縁層の上に形成された電極と
を備え、
前記絶縁層は、イオン液体から構成されていることを特徴とするスピン装置。
請求項１記載のスピン装置において、
前記電極および前記磁性層の間に電圧を印加して前記磁性層に電界を印加する電界印加制御手段を備え、
前記電界印加制御手段は、前記電極に印加する電圧の正負を切り替え可能としていることを特徴とするスピン装置。
請求項１または２記載のスピン装置において、
前記磁性層の下に接して形成された非磁性金属層からなるバッファー層を備えることを特徴とするスピン装置。
請求項１または２記載のスピン装置において、
前記磁性層は、垂直磁化容易軸を有する金属と非磁性金属との合金から構成されていることを特徴とするスピン装置。
基板の上に垂直磁化容易軸を有する金属からなる磁性層を形成する工程と、
前記磁性層の上に非磁性の金属酸化物からなる絶縁層を前記磁性層が大気に触れる前に前記磁性層を覆って形成する工程と、
前記絶縁層の上に電極を形成する工程と
を備えることを特徴とするスピン装置の製造方法。