成果報告書詳細
管理番号20110000001394
タイトル平成18年度~平成22年度成果報告書 スピントロニクス不揮発性機能技術プロジェクト(2)
公開日2011/12/13
報告書年度2006 - 2010
委託先名国立大学法人東北大学
プロジェクト番号P06016
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約スピン注入磁化反転を用いた大容量不揮発性磁気メモリ(スピンRAM)の実現に向けて、東北大学は東芝、産業技術総合研究所、大阪大学と共同でスピンRAM基盤技術である「低電力磁化反転TMR素子技術」の研究開発を行った。また、不揮発性を有するスイッチ素子(スピントランジスタ)の実現向けて、東北大学は「スピン能動素子設計技術(ハーフメタル方式トランジスタ)」の研究開発を行った。以下に成果を記す。
○低電力磁化反転TMR素子技術
CoPt系およびCoNiPt系の薄膜とその接合の開発を進め、スピン注入磁化反転に有利な低飽和磁化、高磁気異方性材料の開発に成功した。また、CoNiPt系材料については、参照層のための垂直磁化膜材料への適用可能性までを検討した。
並行して、減衰定数の評価手法の確立、ならびに薄膜材料の減衰定数の評価を行った。外部磁界印加強度(角度)を変化させて測定する強磁性共鳴法の手法を開発した。また、世界でも類をみないPump-probe法の光学系を構築することに成功し、東北大学および他機関で開発された様々な高磁気異方性材料の摩擦定数を評価することに成功し、低減衰定数を有する垂直磁化膜材料系の開発を共同で達成した。
さらに、上述の評価技術を用いてCMOS回路に適用できるTMR素子の開発を共同で行い、スピン注入磁化反転により高速読み書きを安定して行うことができるTMR素子技術の共同開発を達成し、本開発課題の最終目標であるTMR素子集積アレイによるスピンRAMの動作を実証することに成功した。
○スピン能動素子設計技術(ハーフメタル方式トランジスタ)
トンネル磁気抵抗比が1000%以上に相当するハーフメタル材料の開発を行なうこと、および、スピントランジスタを試作し、温度2Kにおいて1000倍以上の電流On/Off比を実現することを最終目標とした。加えて、室温動作のための課題および課題克服のための道筋を明らかにすることを目的として研究を行なった。
ハーフメタルにCo2MnSi、絶縁層にMgOを用いたMTJの開発を行なった。ハーフメタル/絶縁層界面層に極薄のCoFe層を挿入することで、2Kにおいて1275%の磁気抵抗比を観測し、最終目標を達成した。さらに、TMR比の温度依存性もCoFe層の挿入により改善し、室温においても350%の高い磁気抵抗比を観測することに成功した。
ハーフメタル/絶縁体/ハーフメタル/絶縁体/ハーフメタルの構造の二重障壁TMR素子、およびこれを用いたドレイン、ソース、ゲート電極を有するトランジスタ構造を、電子線リソグラフィー技術を用いて作製した。その結果、最小で100 nm×500 nm サイズのトランジスタ素子作製技術を確立した。
良好なトランジスタ特性を得るために、MTJの層構造、および、トランジスタ動作に重要なゲート構造の最適化を行なった。その結果、パルスゲート電圧印加時の過渡応答特性において、MTJの磁化が反平行状態のときに、6 Kにおいて最大2920倍の非常に大きな電流On/Off比が得られ、最終目標を達成した。さらに、室温においても969倍の大きなOn/Off比を観測することに成功しており、開発したスピントランジスタが、室温動作可能であることを示した。
英文要約Report abstract on Spintronics Nonvolatile Project (2006-2010)
To realize high density nonvolatile magnetic random access memory based on spin-transfer-torque technology (spin-RAM), we, a research group in Tohoku Univ., have studied “TMR device exhibiting a low consumption power magnetization reversal”, i.e. a fundamental technology for spin-RAM, in collaboration with those in Toshiba, Advanced Industrial Science and Technology, and Osaka Univ. Moreover, to realize a switch device possessing non-volatility, we have also studied Half-metal spin-transistor. Chief accomplishments are described as follows.
○ Development of TMR device exhibiting a low consumption power magnetization reversal
We chiefly studied on thin films of Co-Pt binary and Co-Ni-Pt ternary alloys and TMR devices with those alloys electrodes, and have achieved to develop the films exhibiting a high perpendicular magnetic anisotropy and low saturation magnetization that are advantageous to spin-transfer-torque magnetization reversal. It was also verified whether Co-Ni-Pt alloy films can be applied to a reference layer in TMR devices. Meanwhile, we studied on an evaluation method for magnetic damping constant for various magnetic alloy films. First we have developed the evaluation method using angular dependence of ferromagnetic resonance, and then have succeeded to construct the state-of-art pump-probe optics for measurement of spin dynamics in time domain. Using these methods, we have achieved to develop the perpendicular magnetic films with low magnetic damping constant. Furthermore, we developed TMR devices for integration with CMOS transistor circuits by gaining information of damping mechanism using the above methods improved further. We have achieved the development of TMR devices exhibiting a high read/write performance with a fast access time and good stability. Finally, we have accomplished, our final objectives, to demonstrate spin-RAM by integrating an array of the developed TMR devices and CMOS transistor circuits in the above-described collaboration framework.
○Half-metal spin-transistor
Research aims of the project are “Development of half-metal materials, which shows over 1000% TMR effect”, “Fabrication of prototype spin transistor device, which shows current on/off ratio of 1000 at 2K, and “Clarification of feasibility that the spin transistor device operates at room temperature”
We have developed the MTJs with half metal Co2MnSi electrodes and an MgO barrier layer. A very large TMR ratio of 1275%, which is the highest value in the MTJs using half-metal electrodes, was achieved at 2K by inserting a very thin CoFe layer into the Co2MnSi/MgO interface. In addition, a large TMR ratio of 350% was also observed at room temperature.
We have established the process to fabricate the double barrier TMR device with structure of half-metal/barrier/half-metal/barrier/half-metal, and the transistor structure with the size of 100 nm × 500 nm by using EB lithography technique.
We have optimized the structure of MTJ and gate in the transistor device in order to obtain good operation properties. We achieved the current on/off ratio of 2920 at 6K when the magnetic configuration in the MTJ was anti-parallel. In addition, a large current on/off ratio of 969 was also observed at room temperature. Therefore, the developed spin transistor device is expected to operate at room temperature.
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