Hard-axis switching model of perpendicular anisotropy magnetic tunnel junctions and their sensor applications

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04278
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 三浦 貞彦 東北大学, 国際集積エレクトロニクス研究開発センター, 教授 (70750371)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 磁気トンネル接合 / 磁気センサー / 微細素子 / 垂直磁気異方性 / 酸化マグネシウムトンネル障壁

Outline of Annual Research Achievements

垂直磁気異方性を有するCoFeB/MgO/CoFeB磁気トンネル多層膜をdc/RFマグネトロンスパッタリング法により、室温で形成した。固定層はRuを介して反強磁性結合したCo/Pt多層膜により構成された。ピンド層（磁化方向が外部磁界で変化しない層）はWを介して固定層と強磁性結合したCoFeB層とした。トンネル障壁としてはMgOを用いた。ピンド層/固定層はMgOトンネル障壁の下に配置（ボトムピン構造）し、その磁化方向はMgO界面に対して垂直である。フリー層（磁化方向が外部磁界に依存して変化する層）はCoFeBとし、MgO上に接した真上に形成された。電子線リソグラフィーとアルゴンイオンミリングにより、多層膜を加工し、フリー層の直径は5nm～80nmの円形とした。
フリー層直径が20nmから80nmの磁気トンネル接合素子においてはフリー層の磁化はMgO界面に対し、垂直磁気異方性を示し、磁気抵抗比は100％以上を示した。素子寸法10nm程度では、面内磁気異方性を示した。これらの変化は定性的には素子寸法の低下に伴う垂直磁気異方性の低下と思われる。直径9nm～12nmのフリー層が面内異方性を示す素子を3個選び、それらの素子のダイナミックレンジ（素子の動作磁場範囲）（mT）、リニアリティーエラー（%）、感度（%/mT）を評価した。ダイナミックレンジは10～30 mT、リニアリティーエラーは5～10％、感度は0.2～0.6%/mTとなった。ダイナミックレンジを小さくすると感度は増加した。リニアリティーエラーは従来の文献値より高く、その直線からのずれの傾向（逆S字的なもの、お椀型のもの）は素子毎に異なっており、その原因を現在調査中である。素子のノイズ測定を行い、1/fノイズが支配的であることを確認した。55Hz及びその3倍高調波のノイズも確認でき、現在その原因を調査中である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

研究計画では(1)素子構造および作製法とフリー層垂直磁気異方性の関係の明瞭化、(2)垂直磁気異方性と磁気感度との関係の評価、(3)良好な磁気感度を有する素子でのノイズ特性の評価、（４）新作製法、新構造の提案　となっている。昨年度は（１）と（２）の一部と（３）の評価法の確立に向けた検討を行っており、おおむね順調に進展していると思われる。
研究計画で述べた(a)フリー層膜厚、酸化状態を変化させ、磁気異方性を制御し、その関係を明らかにする、(b)ノイズ特性から極薄トンネル膜の知見を得る　等の部分に関しては、強化していく予定である。

Strategy for Future Research Activity

当初の研究計画の通り(1)素子構造および作製法とフリー層垂直磁気異方性の関係の明瞭化、(2)垂直磁気異方性と磁気感度との関係の評価、(3)良好な磁気感度を有する素子でのノイズ特性の評価、（４）新作製法、新構造の提案　を実施する予定である。特に学術的な深堀に関しては、強化していきたい。

Causes of Carryover

サンプルの作製に時間がかかり、素子の電気測定に重点を置いたため、評価用のプローブの作成、断面TEM評価は未実施となった。今年度は計画通りのノイズ測定用プローブの作成に加えて、評価用プローブの作成、断面TEM評価を実施する予定である。また、実験結果をまとめて国内学会の発表を行う予定である。