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

2020 Fiscal Year Annual Research 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基板上に形成した。膜構成はSi/SiO2/Ta/Ru/TaN/[Co/Pt]4/Ru/[Co/Pt]3/W(0.3)/ CoFeB(1)/MgO/CoFeB(1.4)/W(0.3)/CoFeB(1)/MgO/cap層/ハードマスク材料である。[Co/Pt]4 /Ru/[Co/Pt]3/W(0.3)/CoFeB(1)は固定層、CoFeB(1.4)/W(0.3)/CoFeB(1)はフリー層として機能する。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、フリー層直径5 nm～80 nmの円形に素子を作製した。フリー層中のW膜厚が薄くなるにつれ、フリー層のダンピング定数αは小さくなることが見いだされた。また、同じ素子寸法においては、熱安定係数Δと書換え臨界電流Ic0の比であるΔ/Ic0は大きくなる傾向を発見した。
フリー層直径20～80 nmの磁気トンネル接合素子においては、素子の保磁力は120 mT程度と一定であった。直径13～20 nmの領域では、素子サイズの低下に伴い、保磁力は減少した。これらの領域での保磁力の低下は、フリー層の熱安定性係数Δの減少と関係つけられる。12 nm以下の素子サイズでは、フリー層の特性は垂直磁場に対して困難軸特性を示した。これらの困難軸特性を示す素子を3個選び、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)であった。これらの素子に直流電圧を印加し、ノイズを測定すると緩和時間がミリ秒単位の揺らぎが観察された。この値を熱安定性係数に焼き直すとΔ～14程度の値となった。