1
垂直磁化型 MRAM 用高スピン偏極率
フルホイスラー合金薄膜の開発
東京工業大学工学院
高村陽太
東京都目黒区大岡山 2-12-1
Development of highly spin-polarized full-Heusler alloy thin
films for perpendicular magnetoresistive random access memory
Yota Takamura
School of Engineering, Tokyo Institute of Technology
2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552, JAPAN
1.
背景
現在，コンピューターやタブレット端末などの 情報機器デバイスの待機時の消費電力を大幅に削 減できる可能性があるメモリとして，不揮発性メ モリの研究開発が盛んに行われている．特に，磁 化の向きによって情報を記憶する，磁気抵抗変化 メ モ リ (MRAM; Magnetoresistive Random Access Memory)1は，高速読出・無限大の書換回数といっ た優れた特性を持つため，有望な次世代メモリの 1つとして期待されている． MRAM の情報記憶セルは，磁気トンネル接合 (MTJ)2,3と呼ばれる強磁性体/トンネルバリア/強磁 性体の 3 層構造から成るデバイスで構成され，磁 化の相対的な向き(平行/反平行)に応じて抵抗値が 変化する．MTJ の最も重要な性能指標の一つは， 抵 抗 の 変 化 率 (TMR 比 ; Tunnel Magnetoresistive Ratio)であり，TMR 比は強磁性体中の伝導電子の スピンの偏りを表すスピン分極率に大きく依存す る．特に，フェルミレベル近傍で完全にスピン分 極したスピン分極率 100%のハーフメタル強磁性 体(HMF)4–6は，理論上無限大の TMR 比が得られる 理 想 的 な 磁 性 材 料 と し て 期 待 さ れ て い る ． Co2FeSi(CFS)7や Co2MnSi(CMS)8などの一部の Co 基フルホイスラー合金は理論的に HMF であると 予想され，CMS は実験的にも HMF 性が示されて いる9,10． 近年，MTJ の低消費電力書込(磁化反転)や高密 度集積化を実現するため，膜面垂直方向に磁化が 安定化した磁性膜で電極を構成した垂直磁化型 MTJ(pMJT)11が注目を集めている．そのため，pMTJ に対応した HMF を開発する必要があるが，HMF 性と垂直磁気異方性を併せ持つ磁性材料は今のと ころ見つかっていない．したがって，何らかの方 法で HMF 材料に異方性を付与する必要がある． フルホイスラー合金薄膜に垂直磁気異方性を誘起 させるには，界面磁気異方性を利用する方法が有効 である12．我々のグループでは，これまでのところ 2 種類の Co 基フルホイスラー合金 CMS と CFS に対 して，垂直磁気異方性を付与することに成功した． CMS は，MgO 基板上に[CMS/Pd]人工格子膜を作 製し，(111)基板を用いた場合垂直磁気異方性が得ら れることを明らかにした13．さらに，磁気異方性の基 板方位依存性を定量的に評価し，基板方位と界面磁 気異方性の関係を明らかにした．Co2FeSi 薄膜は， MgO と接合させ，界面磁気異方性を利用することで 垂直磁気異方性を付与した14．この磁気異方性は Fe とOの混成軌道に起因すると考えられる．CFS/MgO 構造の MgO はトンネルバリア層とみなせる．した がって，垂直磁化型 MTJ の下部強磁性電極として用2 いることができる． 本研究課題では，pMTJ の上部電極として用いる ことができる構造でも CFS を垂直磁化させ，上下両 方の CFS が垂直磁化した MTJ 構造を作製すること を目的とした．
2.
試料の作製
全ての試料は，対向ターゲット式スパッタ(背圧 3.0×10−5 Pa)で MgO(001)単結晶基板上に作製した． Cr 40 nmと Pd 50 nm を室温で作製し，その後，基 板温度 TSを 300 °C に上げてから CFS 0.6 nm を Co2FeSi 合金ターゲットをスパッタすることで作 製した．次に，TSを室温に下げ，チャンバー内に 酸素ガスを導入することで，CFS 表面を分圧 0.2 Pa の酸素雰囲気に 10 分間暴露した．さらに，MgO を RFスパッタ法で 2.0nm 成膜し，下部 CFS 層のみ のサンプルは，10nm の Ta でキャップした(図 1(a))． MTJ構造の試料は，MgO を成膜後に CFS0.6nm と さらに Pd 10nm を堆積させた(図 1(b))． 試料の磁気特性は振動試料型磁力計(VSM)で測 定し，磁気異方性は面直と面内方向の M-H 曲線の 差分から算出した．表面モフォロジーは，原子間 力顕微鏡(AFM)で評価した．結晶構造は，X 線回折 (XRD)法で解析した．スパッタした CFS 薄膜の化 学組成は，電子線マイクロアナライザーで評価し， Co51.0Fe24.9Si24.1とわかった．3.
実験結果
図 2 に下部 CFS のみの試料の M-H 曲線を示す． 図 2(a)と 2(b)はそれぞれ酸素暴露を行っていない 試料と行った試料の結果を表す．酸素暴露を行う ことで，容易軸が面内から面直に変化し，垂直磁 気異方性が誘起されたことがわかる．暴露を行っ た試料の磁気異方性定数は，7.4×106 erg/ccと見積 もった．この値は，CoFeB/MgO 二層膜の値よりも 大きい． 界面状態を明らかにするため，XPS 測定を行っ た．酸素暴露を行っていない試料では，CFS/MgO 界面において酸素欠損が多い MgO が形成されて いた．一方，酸素に暴露した試料では，界面に至る まで深さ方向に対して均一な MgO 膜が形成され ていることがわかった．CFS の表面の酸化や，酸 素終端などにより，界面においても膜中と同程度 の MgO が形成されたと考えられる．酸素欠損が少 ない MgO/CFS 界面の形成により，Fe-O 結合の割 合が増加し，垂直磁気異方性が誘起されたと考え られる． 図 1(b)の MTJ 構造を作製した．上部の CFS と Pd層を TS = 300 °Cで堆積した．上部 CFS 層のみ 図1 試料の積層構造(a)下部 CFS のみ(b)MTJ 構造 図2 下部 CFS 層のみの試料の M-H 曲線 (a)酸素 暴露あり(b)酸素暴露なし．赤と青の曲線はそれ ぞれ面直と面内の磁化ループに対応する．3 磁化特性を評価するため，上部 CFS を成膜せず MgOを Pd で直接キャップした試料も作製し，M-H曲線の差分を取った．図 3 に上部 CFS 層に対応 する抽出した M-H 曲線を示す．面内と面直方向で， 磁化ループは変化せず，この方法で作製した上部 CFS 層は等方的な磁気異方性を示すことがわかっ た． 図4(a)に上部CFS層の表面AFM観察像を示す． ラフネスが大きく，CFS の島状成長を示唆した． 等方的な磁気特性は，これによって説明できる． 連続膜を作製するため，次のように成長条件を改 めた．上部 CFS を堆積する際の TSを室温に下げ， 温度 TA = 300 °Cでのポストアニール処理を追加し た．図 4(b)に新たに作製した CFS 膜の AFM 表面 観察結果を示す．また表面形状から，連続的な膜 が形成されたと考えられる．また，ラフネスも大 幅に改善された． 図 5 に上部 CFS と Pd 層を室温で成膜し，その 後アニール処理を行ったMTJ 構造の面直磁場に対 する M-H 曲線を示す．2 段のステップが観測され， 下部，上部の CFS 層ともに垂直方向に磁化してい ることを確認した．また，この 2 層は磁気的に切 断されており，磁化の平行状態と反平行状態を外 部磁場によって制御できることもわかった．した がって，本構造は pMTJ に直接応用できる． 図 6 に MTJ 構造の XRD パターンを示す．上部 の CFS が垂直磁化した試料でのみ，Pd(111)回折ピ ークが観測された．Co/Pd や CMS/Pd 超格子構造 13,15では，Pd が(111)配向することで，超格子全体 が垂直磁化することが知られている．本 MTJ 構造 の上部 CFS 層においても，Pd の配向が垂直磁気異 方性に寄与している可能性が高い．
4.
まとめと今後の展望
本 研 究 課 題 で は ， フ ル ホ イ ス ラ ー 合 金 図3 上部 CFS 層のみ抽出した M-H 曲線 図4AFM 観察結果 図5 MTJ 構造の M-H 曲線．上部 CFS と Pd は 室温で成膜し，その後 300°C でアニール処理 を行った． 図6 MTJ 構造の XRD パターン4 Co2FeSi(CFS)を用いた垂直磁化型 MTJ 構造の作製 に成功した．下部 CFS 層は，表面を酸素暴露した 後，MgO を積層させることで，垂直磁気異方性が 発現した．また，上部 CFS 層は，室温で成膜しポ ストアニール処理を施すことで垂直磁化した．Pd キャップ層の配向が垂直磁気異方性に寄与してい る可能性がある． 今後は，この MTJ 構造を微細加工し，TMR 測 定を行う．また，垂直磁化型 CFS 薄膜に関して， いくつか共同研究の申し出もいただいいる．積極 的に研究を展開していく予定である．
5.
謝辞
本研究課題に助成いただいた高柳健次郎財団に 感謝いたします．研究を指導していただいた東京 工業大学・中川茂樹教授と共同で実験を行った篠 原光貴氏，鈴木隆寛氏をはじめとする中川研究室 の学生の方々に感謝いたします．6.
参考文献
1 S.S.P. Parkin, K.P. Roche, M.G. Samant, P.M. Rice,
R.B. Beyers, R.E. Scheuerlein, E.J. O’Sullivan, S.L. Brown, J. Bucchigano, D.W. Abraham, Y. Lu, M. Rooks, P.L. Trouilloud, R.A. Wanner, and W.J. Gallagher, J. Appl. Phys. 85, 5828 (1999).
2 T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater.
139, L231 (1995).
3 J.S. Moodera, L.R. Kinder, T.M. Wong, and R. Meservey, 74, (1995).
4 R.A. De Groot, F.M. Mueller, P.G. Van Engen, and K.H.J. Buschow, Phys. Rev. Lett. 50, 2024 (1983).
5 I. Galanakis, P. Mavropoulos, and P.H. Dederichs, J. Phys. D. Appl. Phys. 39, 765 (2006).
6 H.C. Kandpal, G.H. Fecher, and C. Felser, J. Phys. D Appl. Phys 40, 1507 (2007).
7 S.S. M. Satoh, Y. Takamura, in Electron. Mater.
Conf. 2011 (Santa Barbara, 2011), p. 96.
8 H. Kijima, T. Ishikawa, T. Marukame, K.I. Matsuda, T. Uemura, and M. Yamamoto, J. Magn. Magn. Mater.
310, 2006 (2007).
9 M. Jourdan, J. Minár, J. Braun, A. Kronenberg, S. Chadov, B. Balke, A. Gloskovskii, M. Kolbe, H.J. Elmers, G. Schönhense, H. Ebert, C. Felser, and M. Kläui, Nat. Commun. 5, ncomms4974 (2014).
10 S. Andrieu, A. Neggache, T. Hauet, T. Devolder, A. Hallal, M. Chshiev, A.M. Bataille, P. Le Fèvre, and F. Bertran, Phys. Rev. B 93, 94417 (2016).
11 S. Ikeda, K. Miura, H. Yamamoto, K. Mizunuma,
H.D. Gan, M. Endo, S. Kanai, J. Hayakawa, F. Matsukura, and H. Ohno, Nat. Mater. 9, 721 (2010).
12 Z. Wen, H. Sukegawa, S. Mitani, and K. Inomata, Appl. Phys. Lett. 98, 242507 (2011).
13 N. Matsushita, Y. Takamura, Y. Fujino, Y. Sonobe, and S. Nakagawa, Appl. Phys. Lett. 106, 62403 (2015).
14 Y. Takamura, T. Suzuki, Y. Fujino, and S. Nakagawa, J. Appl. Phys. 115, 17C732 (2014).
15 M. Sawada, K. Hayashi, and A. Kakizaki, J. Phys. Soc. Japan 72, 1161 (2003).
7.
本研究助成の成果
学術論文
1. K. Shinohara, T. Suzuki, Y. Takamura, S. Nakagawa,” Methods to induce perpendicular magnetic anisotropy for full Heusler Co2FeSi thin layers in an MTJ structure,” AIP
Advance, submitted in 2017.
2. K. Shinohara, T. Suzuki, Y. Takamura, S. Nakagawa, “Perpendicular magnetic anisotropy induced by oxygen exposure at Co2FeSi/MgO interfaces,” IEICE Tech. Rep.
vol. 116, pp. 19-24, 2016.
3. K. Shinohara, Y. Takamura, S. Nakagawa, “Preparation of perpendicular MTJ structure using half metallic full Heusler alloy Co2FeSi films,” ITE Tech. Rep. vol. 41, pp.
35-40, 2016.
4. N. Matsushita, Y. Takamura, S. Fujino, Y. Sonobe, S. Nakagawa, “Magnetic anisotropy of [Co2MnSi/Pd]n
superlattice films prepared on MgO(001), (110), and (111) substrates,” Appl. Phys. Lett. Vol. 106, pp. 062403/1-4, 2015.
5. Y. Takamura, N. Matsushita, K. Shinohara, T. Suzuki, Y. Fujino, Y. Sonobe, S. Nakagawa, “Addition of perpendicular magnetic anisotropy to full-Heusler Co2FeSi
and Co2MnSi alloy thin films,” IEICE Tech. Rep. vol. 115,
pp. 31-35, 2015. 招待講演
1. S. Nakagawa, Y. Takamura, “Origin of Perpendicular Magnetic Anisotropy of [Co2MnSi/Pd]n Superlattice Films
on Various Substrates,” ICMAT2015&IUMRS-ICA2015, Singapore, Singapore, 2015年 6 月.
国際学会発表
1. K. Shinohara, T. Suzuki, Y. Takamura, S. Nakagawa, “Oxygen partial gas pressure dependence of interfacial perpendicular magnetic anisotropy in Co2FeSi/MgO thin
films,” IEEE International Magnetics Conference (Intermag), 中国, 北京, 2015 年 5 月.
2. S. Nakagawa, K. Shinohara, Y. Takamura, “Methods to induce perpendicular magnetic anisotropy for full Heusler Co2FeSi thin layers in p-MTJ structure,” 62nd Annual
Conference on Magnetism and Magnetic Materials, FP-10, Pittsburgh, PA, USA, 2017年 11 月.
国内学会発表 1. 篠原光貴, スタットラー嘉也, 高村陽太, 中川茂樹, “垂直磁化Co2FeSi膜を用いた 磁気トンネル接合多層 膜の作製,” 第 41 回 日本磁気学会学術講演会, 福岡 県福岡市, 2017 年 9 月. 2. 篠 原 光 貴 ， 鈴 木 隆 寛 ， 高 村 陽 太 ， 中 川 茂 樹 ,
5 “Co2FeSi/MgO 積層界面への酸素曝露による磁気異 方性への影響,” 第 40 回日本磁気学会学術講演会, 6PA-14, 金沢大学, 2016 年 9 月. 3. 篠原 光貴, 鈴木 隆寛, 高村 陽太, 中川 茂樹, “Co2FeSi/MgO界面での酸素導入による垂直磁気異方 性の発現,” 磁気記録・情報ストレージ研究会(MR), MR2016-16, 東京, 2016 年 7 月. 4. 篠原光貴, 高村陽太, 中川茂樹. “ハーフメタル・フル ホイスラー合金 Co2FeSiを用いた垂直磁化型 MTJ 構 造の作製.” マルチメディアストレージ研究会, 宮城 県仙台市, 2016 年 6 月. 5. 高村陽太, 篠原光貴, 松下直輝, 鈴木隆寛, 園部義明, 中川茂樹, “フルホイスラー合金 Co2MnSi と Co2FeSi 薄膜への垂直磁気異方性付与方法の検討,” 金属学会 2015年秋期講演大会, S4-3, 福岡県福岡市，2015 年 9 月. 6. 中川茂樹，高村陽太，”高スピン偏極率を有するフル ホイスラー合金薄膜への垂直磁気異方性付与,” H27 年度東京工業大学 スピントロニクスイノベーション 研究推進体研究会, 東京都目黒区, 2015 年 8 月. 7. 篠原光貴, 高村陽太, 中川茂樹, “Co2FeSi/MgO界面に おける 垂直磁気異方性の酸素曝露依存性,” 第 34 回 電子材料シンポジウム, Fr1-13, 滋賀県, 2015 年 7 月. 8. 高村陽太, 松下直輝, 篠原光貴, 鈴木隆寛, 藤野頼信, 園部義明, 中川茂樹, “フルホイスラー合金 Co2FeSiと Co2MnSi への垂直磁気異方性の付与,” 磁気記録・情 報ストレージ研究会, 東京都目黒区, 2015 年 7 月. 9. K. Shinohara, T. Suzuki, Y. Takamura, S. Nakagawa,
“Effect of oxygen exposure at Co2FeSi/MgO interfaces on
perpendicular magnetic anisotropy of Co2FeSi layer,” 第
62 回応用物理学会春季学術講演会, 13p-D11, 神奈川
