磁性多層膜－ＣｏＦｅＢ積層電極を用いた微細磁気トンネル接合に関する研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14J05000
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 石川 慎也 東北大学, 大学院工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Keywords: 磁気トンネル接合 / CoFeB / 磁性多層膜

Outline of Annual Research Achievements

私の研究目的は、磁気トンネル接合(MTJ)を用いた不揮発性論理集積回路を実現するために、テクノロジーノードに準じた微細化、高速読み込み・書き込みのためのトンネル磁気抵抗(TMR)比の向上、書き込み電流の低減、安定に情報を保持するための熱安定性指数の向上、350℃以上の熱処理耐性の特性を同時に満たすMTJを開発することである。私は昨年度までにCoFeBと[Co/Pt]多層膜の積層構造を用いたMTJにおいて、直径25 nmで269の高熱安定性指数を得ていた。
本年度は、微細なMTJを作製するためのプロセスの構築、および昨年度までに用いていたCoFeB/[Co/Pt]積層構造を工夫し高性能MTJの開発を行った。具体的には、①直径20 nm以下の磁気トンネル接合を作製するプロセスの構築、②高いトンネル磁気抵抗比と熱安定性指数を有する材料の開発、に取り組み、直径17 nmでどのような応用にも十分な熱安定性指数と約100%の高いトンネル磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合の実現に成功した。しかしながら、実際にMTJ素子を回路上で使用する際に必要な、電流誘起磁化反転は±1 Vの範囲では観測されなかった。そこで、より低い磁気ダンピング定数が期待されるCo/Pd多層膜を用いた場合についても検討し、直径15 nmのMTJでCo/Pt多層膜を用いた場合と同等の熱安定性を維持しながら、書き込み電流を低減することに成功しており、ダンピング定数を低減できることを示した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

私の研究目的は、磁気トンネル接合(MTJ)を用いた不揮発性論理集積回路を実現するために、テクノロジーノードに準じた微細化、高速読み込み・書き込みのためのトンネル磁気抵抗(TMR)比の向上、書き込み電流の低減、安定に情報を保持するための熱安定性指数の向上、350℃以上の熱処理耐性の特性を同時に満たすMTJを開発することである。私は昨年度までに得たCoFeB/[Co/Pt]積層構造を用いることで比較的微細な素子で非常に高い熱安定性指数を実現することができるという知見をもとに、①Co/Pt多層膜ベースの垂直磁気異方性電極を用いたMTJのTMR比の向上および熱処理耐性の検討、②Co/Pt多層膜ベースの垂直磁気異方性電極のダンピング定数の直接的評価③低書き込み電流を実現する材料の探索、④直径20 nm以下の微細MTJのプロセス技術の構築の4項目を研究計画とし、本年度は①、③、④について取り組んだ。具体的には、①直径20 nm以下の磁気トンネル接合を作製するプロセスの構築、②高いトンネル磁気抵抗比と熱安定性指数を有する材料の開発、に取り組み、直径17 nmでどのような応用にも十分な熱安定性指数と約100%の高いトンネル磁気抵抗比を有する磁気トンネル接合の実現に成功した。また、より低い磁気ダンピング定数が期待されるCo/Pd多層膜を用いた場合についても検討し、熱安定性を維持しながら、書き込み電流を低減することに成功した。以上の成果から、今年度は期待通り研究が進展していると評価する。

Strategy for Future Research Activity

私は本年度、①直径20 nm以下の磁気トンネル接合を作製するプロセスの構築、②高いトンネル磁気抵抗比と熱安定性指数を有する材料の開発、に取り組み成功した。今後は、その知見を活かし、同材料の書き込み電流を決める要因の一つであるダンピング定数の直接的な評価、350℃以上の熱処理耐性を満たす構造の検討、低書き込み電流・高熱安定性指数・高トンネル磁気抵抗比を同時に満足する新規材料・構造の検討を行う予定である。