JP7174954B2

JP7174954B2 - スピン軌道トルク生成効率の制御方法

Info

Publication number: JP7174954B2
Application number: JP2019141973A
Authority: JP
Inventors: 要司国橋; 祐輔田中; 治樹眞田; 秀樹後藤; 哲臣寒川; 修太郎軽部; 大地菅原; 誠好田; 淳作新田
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2019-08-01
Filing date: 2019-08-01
Publication date: 2022-11-18
Anticipated expiration: 2039-08-01
Also published as: JP2021027088A

Description

特許法第３０条第２項適用［公開の事実１］１．発行日：２０１９年２月２５日２．刊行物：２０１９年第６６回応用物理学会春季学術講演会［講演予稿集］ＣＳ９１００００００００－０９８［１１ｐ－Ｍ１０１－３］（発行：公益社団法人応用物理学会）３．公開者：軽部修太郎、菅原大地、好田誠、新田淳作

本発明は、スピン軌道トルク生成効率の制御方法に関する。

近年の急速な技術発展に伴い、莫大な情報量を処理する必要が生じ、サーバーなどの需要は急激に増加した。この背景で、情報処理を行う、磁気ストレージやロジック素子などの磁気デバイスは、これまでの演算能力を維持、若しくは向上させた上で、さらに低消費電力で稼働させることが望まれる。

磁気メモリデバイスなどの「１」か「０」かの情報の書き換えは、これまでは電流を流すことで生じる磁場によって磁化反転を行うことでなされてきた。素子の都合上、大電流が必要であり、さらに磁場印加の関係で高密度化が困難であった。

このような背景から、スピン軌道相互作用が大きい材料（スピン軌道材料）中で生成される「スピン軌道トルク」が、情報の書き換えの新たな技術として誕生した「スピン軌道トルク」を、スピン軌道材料から隣接する強磁性層に作用させることで、低消費電力かつ高密度化可能なデバイス作製が可能であると期待されている。これまで、酸化によりスピン軌道トルクが増大することが、スピン軌道の相互作用が強いとされる銅（Ｃｕ）や白金（Ｐｔ）で確認されている（非特許文献１，非特許文献２参照）。

H. An et al., "Spin-torque generator engineered by natural oxidation of Cu", Nature Communications 7, Article number: 13069, 2016. H. An, et al., "Current-induced magnetization switching using an electrically insulating spin-torque generator", Science Advances, vol. 4, no. 2, eaar2250, 2018.

しかしながら、上述した材料では、酸化に伴い抵抗率が何桁も増大するため、スピン軌道トルクを用いた磁化反転のための消費電力が増大するとともに熱擾乱が生じる。一般的に、磁化反転時のパワー効率は「スピン軌道トルク効率の２乗」を「抵抗率」で割った形で得られるので、効率的なパフォーマンスを発揮することは困難であった。

前述したように、スピン軌道トルクを用いた磁化反転は、基礎・応用の両面において非常に重要視されている技術であり、特に、スピン軌道トルクの生成効率が大きく、抵抗率が低い材料の発見が、スピントロニクスにおいて急務である。基本的にスピン軌道トルクは、スピン軌道相互作用が強いと大きくなることから、重金属であるＰｔ、タンタル（Ｔａ）、およびタングステン（Ｗ）などの材料において技術開発が成されてきた。これらの材料においても、十分磁化反転が可能である事が実証されているが、低消費電力稼働といったアプリケーション的な観点も含め、より高効率で、機能的なスピン軌道材料が望まれている。

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、より高効率で、機能的なスピン軌道材料の提供を目的とする。

スピン材料は、レニウムの酸化物から構成されてスピン軌道トルクを生成する。

本発明に係るスピン軌道トルク生成効率の制御方法は、レニウムの酸化物から構成されたスピン材料のスピン軌道トルク生成効率の制御方法であり、スピン材料の酸化の状態を制御することで、スピン材料のスピン軌道トルク生成効率を制御する。

以上説明したことにより、本発明によれば、より高効率で、機能的なスピン軌道材料が提供できる。

図１Ａは、実施の形態に係るスピン材料を用いて作製したサンプル膜および参照サンプル膜をＸ線回折により測定した結果を示す特性図である。図１Ｂは、実施の形態に係るスピン材料を用いて作製したサンプル膜および参照サンプル膜の、スピン軌道トルク効率ζ_STの周波数依存性を示す特性図である。図２Ａは、実施の形態に係るスピン材料のＸ線光電子分光法により同定した結果を示す特性図である。図２Ｂは、実施の形態に係るスピン材料の深さ方向の組成比の変化を示す特性図である。図３は、反応性スパッタリングによるレニウム酸化物の成膜時の、基板加熱温度条件を変えた場合の、レニウム酸化物のスピン軌道トルク生成効率を示す特性図である。図４は、本発明の実施の形態に係るスピン材料を用いた素子の構成を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係るスピン材料について説明する。このスピン材料は、レニウムの酸化物（酸化レニウム）から構成されてスピン軌道トルクを生成する。このスピン材料は、酸化の状態を制御することで、スピン材料のスピン軌道トルク生成効率を制御することができる。例えば、スピン材料の成膜時の温度により、スピン材料の酸化の状態を制御することができる。また、スピン材料の成膜時の成膜レートにより、スピン材料の酸化の状態を制御することができる。このスピン材料のスピン軌道トルク生成効率の制御方法におけるスピン材料の成膜は、例えば、酸素を用いた反応性スパッタ法により実施することができる。

以下より詳細に説明する。スピン軌道トルクを用いた磁化反転は、基礎・応用の両面において非常に重要視されている技術であり、特に、スピン軌道トルクの生成効率が大きく、抵抗率が低い材料の発見が、スピントロニクスにおいて急務である。基本的に、スピン軌道トルクは、スピン軌道相互作用が強いと大きくなることから、重金属である白金, タンタルやタングステンなどの材料において技術開発が成されてきた。これらの材料においても十分磁化反転が可能であることが実証されているが、低消費電力稼働といったアプリケーション的な観点も含め、より高効率で、機能的なスピン軌道材料が望まれる。

上述したことに鑑み、発明者らは、金属ではなく、電気伝導性を有した酸化物、特に高電気伝導度のレニウム酸化物に着目し、スピン軌道トルク生成効率を調べた。

まず、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、金属レニウムをターゲットとし、また、成膜室に酸素を導入し、反応性スパッタリングにより、レニウムの酸化物を堆積し、スピン材料のサンプル膜を作製（成膜）した。また、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により、金属レニウムをターゲットとし、金属レニウムを堆積し、参照サンプル膜を作製した。サンプル膜および参照サンプル膜は、いずれも厚さ１０ｎｍとした。

作製したサンプル膜および参照サンプル膜をＸ線回折により測定した。測定した結果を図１Ａに示す。金属レニウム（Ｒｅ）では、六方晶系に準拠したＲｅ（０００２）および（０００４）のピークが４１度、８８度付近に見られる。一方で、レニウム酸化物（ＲｅＯ_x）のスピン材料については、金属レニウム由来のピークが完全に消失していることが分かり、レニウムが酸化したことを示唆する結果を得た。

次に、サンプルおよび参照サンプルについて、電気伝導測定を行った。電気伝導測定では、まず、サンプルおよび参照サンプルの各々について素子を作製した。まず、サンプルの膜および参照サンプルの膜について、電子線描画によるリソグラフィとイオンミリングとによるリフトオフ法で、所定の形状のサンプル素子および参照サンプル素子を作製した。また、各素子には、さらに、ＮｉＦｅ合金を堆積して合金膜（強磁性層）を形成している。測定では、ＧＨｚ帯の高周波電流を、素子に印加しながら強磁性共鳴を誘起し、ＤＣ電圧の観測を行った。測定結果から得られるスピン軌道トルク効率ζ_STの周波数依存性を図１Ｂに示す。

レニウム金属（pure Ｒｅ）のスピン軌道トルク効率は、以下の式（１）で示され、全くトルクを生成していないことが分かる。一方、レニウム酸化物のスピン軌道トルク効率は、以下の式（２）で示されるものとなり、有限の値となることが明らかとなった。

上述のことは、従来のスピン軌道材料として有名なＰｔの約５％（参考文献１：L. Liu et al. "Spin-Torque Ferromagnetic Resonance Induced by the Spin Hall Effect", Physical Review Letters, vol. 106, no. 3, 036601, 2011.）に匹敵する値であり、隣接する強磁性層の磁化を反転させるのに十分な大きさであり、磁気メモリデバイスを動作可能とするものである。

さらに上述した結果が、レニウム酸化物中の、「酸素不純物」によってもたらされたのか、「酸素との結合」によってもたらされたのかどうかをＸ線光電子分光法（X-ray Photoemission Spectroscopy；ＸＰＳ）により同定した。この測定の結果を図２Ａに示す。Ｒｅの４ｆ軌道に着目し、波形分離をすることで、どの構造を取っているかを判断した。一般的に安定だと言われているＲｅＯ₃やＲｅ₂Ｏ₇といった構造はとっていないが、自然酸化的な結合をしていることが判明した。

酸素が不純物として混入している場合は、レニウム金属ピークから若干シフトする(参考文献２：R. Ducros and J. Fusy, "CORE LEVEL BINDING ENERGY SHIFTS OF RHENIUM SURFACE ATOMS FOR A CLEAN AND OXYGENATED SURFACE", Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena, vol. 42, pp. 305-312, 1987.）。前述した結果においては、上述した酸素が不純物として混入している振る舞いは観測出来ず、酸化状態にあることが明らかとなった。また、図２Ｂには、サンプル膜の深さ方向に対する組成比を示している。Ｒｅ：Ｏ＝４：１程度の酸化状態にあり、弱く酸化していることが分かった。

これまでのスピン軌道トルク（スピン流）生成の取り組みは、前述したように重金属を中心に行われてきた。一方で、最近になって本発明と類似した酸化物を用いた技術開発なども行われているが、これらの技術では、酸素不純物添加によって生じる抵抗率増加に伴った外因性由来のトルク生成、あるいは絶縁化によって発現する界面特性（ラシュバ効果）由来のトルク生成（参考文献３：T. Gao et al., "Intrinsic Spin-Orbit Torque Arising from the Berry Curvature in a Metallic-Magnet/Cu-Oxide Interface", Physical Review Letters, vol. 123, no. 1, 017202, 2018．）を起源としている。

本発明は、それらのどれにも属さない全く新しいものであり、レニウム金属が酸素と結合したこと（レニウム酸化物）で得られた新技術である。これは、イオン結合性材料も、先行技術の重金属同様にスピン軌道材料として機能することを意味しており、今後の材料探索の幅を広げ、指針を与える技術となる。

本発明の特徴は、第１に、酸化した金属を用いることで、大きなスピン軌道トルク生成効率を持つスピン材料とすることにある。第２に、スピン材料の酸化の状態を制御し、レニウムと酸素との結合（イオン結合）によるスピン軌道トルク生成効率を制御することにある。

従来の技術では、各重金属の場合のスピン軌道トルク生成が調べられてきた。この生成効率は、各物質のバンド構造、抵抗率に起因しており、基本的には物質固有の値であるため、制御不能であった。一方、本発明に係るレニウム酸化物によるスピン材料は、成膜条件などにより、レニウムと酸素との結合状態を変えることで、スピン軌道トルク生成効率を変化させることが可能である。

図３に、前述した反応性スパッタリングによるレニウム酸化物の成膜時の、基板加熱温度条件を変えた場合の、レニウム酸化物のスピン軌道トルク生成効率を示す。図１Ｂで示したレニウム酸化物の結果は、基板加熱温度４００℃の結果である。これに対し、基板加熱温度条件を６００℃にしてレニウム酸化物成膜すると、スピン軌道トルク生成効率に減少が確認された。

レニウム酸化物には、いくつもの安定な組成比が存在することが知られており、酸素との結合を成膜時の温度や成膜レートを変えることで、生成効率を制御できる。このような材料は、これまで調べられてきた重金属とは大きく異なり、我々が材料のスピン物性をデザインできることを強く示唆する成果である。

次に、本発明の実施の形態に係るスピン材料を用いた素子について、図４を参照して説明する。この素子は、スピン軌道トルク誘起磁化反転を利用したＳＯＴ－ＭＲＡＭ（Spin-Orbit Torque Magnetoresistive Random Access Memory）である。

この素子は、実施の形態に係るスピン材料から構成されたスピン材料層１０１と、スピン材料層１０１の上に形成された強磁性体層１０２と、強磁性体層１０２の上に形成された絶縁層１０３と、絶縁層１０３の上に形成された強磁性体層１０４とを備える。強磁性体層１０２は、フリー層と呼ばれ、強磁性体層１０４は、ピン層と呼ばれている。第１端子１１１、第２端子１１２、第３端子１１３に対する電流の印加により、情報の書き換え、読み取りが可能である。

まず、第２端子１１２と第３端子１１３とのに電流を流すことにより、スピン材料層１０１でスピン軌道トルクを生成し、強磁性体層１０２の磁化を反転させ、情報の書き換えを行う。次に、第１端子１１１と第２端子１１２との間の抵抗を測定することで、情報の読み取りが可能である。ここで、強磁性体層１０２の磁化反転に必要な電流密度は、スピン材料層１０１のトルク生成効率の逆数に比例するため、スピン材料層１０１におけるスピン軌道トルク生成の効率が大きければ大きい程、省電力化に繋がる。

前述したように、スピン材料（酸化レニウム）の成膜条件を最適化することで、トルク生成効率を増やすことができ、情報の書き換えに必要な電流密度を低減することが可能であることが本発明の大きな特徴である。

以上に説明したように、本発明によれば、スピン軌道トルクを生成するスピン材料を、レニウムの酸化物から構成したので、より高効率で、機能的なスピン軌道材料が提供できる。

本発明では、従来の酸化物の抵抗率増加や、界面特性に着目したトルク生成ではなく、酸素イオン結合性の電気伝導性酸化物を用いてスピン軌道トルク生成を実証した。トルク生成源として有名な白金と同等の効率を有していることが分かり、さらには、成膜条件でその効率を制御できることを明らかにした。本発明により、酸化状態がトルク生成に重要であることが明らかとなったので、今後はレニウム酸化物に留まらず、様々な電気伝導性酸化物においてスピン軌道トルクが生成できることが示唆される。またイオン結合性を有しているので、光学フォノンのような金属にはない電子散乱が存在するので、この現象がトルク生成に与える影響なども視野に入れた技術展開が成されることが予想され、スピン軌道トルク生成機構がより詳細に議論できるものと思われる。さらに、図４を用いて説明したＳＯＴ－ＭＲＡＭのようなデバイスへの応用も十分可能である。

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…スピン材料層、１０２…強磁性体層、１０３…絶縁層、１０４…強磁性体層、１１１…第１端子、１１２…第２端子、１１３…第３端子。

Claims

レニウムの酸化物から構成されたスピン材料のスピン軌道トルク生成効率の制御方法であって、
前記スピン材料の酸化の状態を制御することで、前記スピン材料のスピン軌道トルク生成効率を制御するスピン軌道トルク生成効率の制御方法。
請求項１記載のスピン軌道トルク生成効率の制御方法において、
前記スピン材料の成膜時の温度により、前記スピン材料の酸化の状態を制御することを特徴とするスピン軌道トルク生成効率の制御方法。
請求項１または２記載のスピン軌道トルク生成効率の制御方法において、
前記スピン材料の成膜時の成膜レートにより、前記スピン材料の酸化の状態を制御することを特徴とするスピン軌道トルク生成効率の制御方法。
請求項１～３のいずれか１項に記載のスピン軌道トルク生成効率の制御方法において、
酸素を用いた反応性スパッタ法により、前記スピン材料を成膜することを特徴とするスピン軌道トルク生成効率の制御方法。