2020 Fiscal Year Annual Research Report
高効率スピン軌道トルク電圧制御デバイス創製を目指したナノ構造エンジニアリング
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19H00844
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
斉藤 好昭 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 (80393859)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
手束 展規 東北大学, 工学研究科, 准教授 (40323076)
池田 正二 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 (90281865)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | スピントロニクス / スピン軌道トルク / 電圧制御 / ナノ構造エンジニアリング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和2(R2)年度は、R1年度に引き続きナノ構造エンジニアリングを導入し、低抵抗で高効率な重金属配線を探索するとともに、見出した重金属配線材料の上にアスペクト比１の垂直磁化方式を有するSOTデバイスを作製する技術を構築した。以下に、R2年度に得られた結果を具体的に示す。
（１）新規重金属配線材料である(W/Hf)多層膜を有する(W/Hf)多層膜/CoFeB/MgO-SOTデバイスを作製した。(W/Hf)多層膜はアモルファス構造を取り、非常に平坦性が良いことが明らかになった。また、(W/Hf)多層膜上に良好なMgO(100)配向膜を有するアスペクト比１の垂直磁化方式のSOTデバイスを作製する技術の構築に成功し、トンネル磁気抵抗を観測した。
（２）β相W/CoFeB/MgO/Taと（W/Hf）多層膜/CoFeB/MgO/Taの有効磁気異方性エネルギーを評価した結果、（W/Hf）多層膜上のCoFeBの垂直磁気異方性は、β相W上のそれに比べ大きいことが明らかとなった。
（３）(W/Hf)多層膜の比抵抗ρxx、スピンホール角|θSH|、スピン伝導度σSH、スピン拡散長λのW膜厚依存性を評価した結果、いずれのW膜厚においても、（W/Hf）多層膜の比抵抗は、β相Wに比べて低いことが明らかとなった。|θSH|、σSHは、W膜厚1 nm近傍で最大値を取り、β相Wに比べて大きな値をとることが分かり、(W/Hf)多層膜は、低消費電力化に有効な重金属配線であることが明らかとなった。また、W膜厚によってλの長さを制御することが可能であることも確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
R2年度は、低抵抗で高効率な重金属配線を探索し、見出した材料の上にアスペクト比１の垂直磁化方式を有するSOTデバイスを作製する技術を構築することを目指した。探索の結果、磁気特性・電気特性ともに優れた(W/Hf)多層膜の新規重金属材料を見出し、この上に、アスペクト比１の垂直磁化方式のSOTデバイスを作製し良好なトンネル磁気抵抗を確認できた。以上より、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
R3年度は、現在までに構築した低抵抗・重金属配線の高効率SOT磁化反転技術、および、低抵抗・重金属配線上の垂直磁化方式スピントンネル接合の成膜・デバイス作製技術をさらに推し進めるとともに、R4年度に行う予定の電圧制御によりセル選択を行うSOT電圧制御デバイスの評価に向けて、評価システムの構築に取り組む。前者は、重金属配線と界面制御層にナノ構造エンジニアリングを導入し、SMR測定という特殊な評価方法を用いて、スピンホール効果のスピントルクの大きさを調べる。その大きさと、重金属ナノ構造、界面制御層、比抵抗とスピン拡散長との相関を調べてスピン伝導メカニズムの解明を行うとともに、SOTスピン反転の効率向上とスピントンネル磁気抵抗の高出力化を目指す。後者は、既存装置に磁界中回転プローバを増設し、基板側に電圧を印可でき、任意の方向に磁場を印可しながらパルス電流によるスピン反転を観測できる装置を構築する。
重金属と強磁性体の組み合わせは多数存在するが、①強磁性層として垂直磁気異方性を有する膜がMRAMで主流となっていること、②結晶成長の相性、③磁気特性、垂直磁気異方性を有する強磁性膜のSOT反転ではダンピング定数の依存性が低いことの３つを考慮すると、Pt/Co系およびW/CoFeB系の２つの系が有力な候補となる。昨年度は、低抵抗で高効率スピン反転可能なW系の新規な重金属配線を見出し、その上の垂直磁化方式スピントンネル接合の成膜・デバイス作製技術を構築した。R3年度は、さらなる低抵抗化を目指して、Pt系の新規な重金属配線の探索と、その上の垂直磁化方式スピントンネル接合の成膜・デバイス作製技術の構築を目標とする。
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