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

2019 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 / 困難軸特性 / 垂直磁気異方性 / 磁気センサー / 感度

Outline of Annual Research Achievements

垂直磁気異方性を有する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、Si/SiO2基板上に室温で形成した。膜構成は、Si/SiO2/Ta/Ru/TaN/Pt/[Co/Pt]m/Ru/ [Co/Pt]n/W/CoFeB(1)/MgO/CoFeB(2)/W/CoFeB(3)/MgO/cap層/ハードマスク材料　となっている。 [Co/Pt]m/Ru/ [Co/Pt]n固定層はRuを介して反強磁性結合した構成となっている。W/CoFeB(1)は磁化方向が外部磁界で変化しない層でWを介して[Co/Pt]m/Ru/ [Co/Pt]n固定層と強磁性結合している。トンネル障壁としてはMgOを用いた。[Co/Pt]m/Ru/[Co/Pt]n/W/CoFeB(1)はMgOトンネル障壁の下に配置し、CoFeB(1)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(2)/W/CoFeB(3)とし、MgO上に接した真上に形成された。フリー層の上にはさらにMgOを配置し、2層のMgO界面を利用した構造と垂直磁気異方性を有する構造となっている。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、その保磁力は150mT程度と素子サイズに依存せず、ほぼ一定であった。磁気抵抗比はフリー層直径が20nm～80nmの領域では150％の値を示した。13nm～20nmの領域では、素子サイズの低下に伴い、保磁力が減少した。これらの領域での保磁力の低下は、フリー層の一斉回転領域での熱安定性定数の減少と関係づけられる。12nm以下の素子サイスでは、フリー層の磁化は面内方向となった。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10~25 mT、リニアリティーエラーは5～10％、感度は0.3～0.6%/mTとなった。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

研究計画では（1）素子構造および作製法とフリー層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、一昨年で(1), (2)を行い、(3)の評価法の確立に向けた検討を行っており、やや遅れていると思われる。
研究計画で述べた(a)フリー層膜厚、参加状態を変化させ、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をさらに進めていく予定である。

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、新構造の手安　を実施する予定である。

Causes of Carryover

本年度は素子の特性評価に力点を置いたため、評価用のプローブの購入を行ったが、断面TEM評価等は未実施となった。今年度は計画通り、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、学会の発表を行う予定である。