(57)【要約】  スキルミオン回路及びスキルミオン回路の製造方法の提供。  スキルミオン回路（1）は、スキルミオンの存在が可能であり、前記スキルミオンが伝搬される回路部分（1A）と、スキルミオンの存在が不可能である非回路部分（1B）とをパターニングしてある磁性膜（10）を含む。
2020059542.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スキルミオンの存在が可能であり、前記スキルミオンが伝搬される回路部分と、スキルミオンの存在が不可能である非回路部分とをパターニングしてある磁性膜  を含むスキルミオン回路。
【請求項２】
前記回路部分における前記磁性膜の磁気特性と、前記非回路部分における前記磁性膜の磁気特性とを異ならせることによって、前記回路部分及び前記非回路部分を前記磁性膜にパターニングしてある  請求項１に記載のスキルミオン回路。
【請求項３】
成膜した磁性膜の形状を変化させることなく、前記回路部分及び前記非回路部分を前記磁性膜にパターニングしてある  請求項１又は請求項２に記載のスキルミオン回路。
【請求項４】
前記磁性膜上に積層される保護膜を備える  請求項１から請求項３の何れか１つに記載のスキルミオン回路。
【請求項５】
前記回路部分に対応する前記保護膜の膜厚と、前記非回路部分に対応する前記保護膜の膜厚とを異ならせてある  請求項４に記載のスキルミオン回路。
【請求項６】
前記回路部分又は前記非回路部分の何れか一方に対応する前記磁性膜又は前記保護膜の領域にイオンをドープしてある  請求項４に記載のスキルミオン回路。
【請求項７】
前記磁性膜は、強磁性層と非磁性層とが交互に積層された積層構造を有する  請求項１から請求項６の何れか１つに記載のスキルミオン回路。
【請求項８】
スキルミオンの存在が可能な磁性膜を成膜し、  前記磁性膜の一部の領域における磁気特性を変化させることによって、スキルミオンが伝搬される回路部分と、スキルミオンの存在が不可能な非回路部分とを前記磁性膜にパターニングする  スキルミオン回路の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、スキルミオン回路及びスキルミオン回路の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  近年、カイラルな結晶構造を有する一部の物質において、スキルミオンが生成されることが知られている。スキルミオンは、印加された磁場に対し、中心部において反平行の磁化を有し、周辺部において平行な磁化を有する渦巻状の電子スピン構造を有している。スキルミオンは、直径が数ｎｍ〜数μｍ程度と非常に小さいサイズを含むため、磁気素子に応用した場合、単位情報を記憶する面積を従来の磁気バブルメモリなどの従来技術に比べて小さくすることができる。また、スキルミオンは、微小な電場または電流密度で駆動できることも知られている（例えば、特許文献１及び２を参照）。また、微小な熱揺らぎによるブラウン運動を用いてスキルミオンを駆動できることも知られている。このため、高密度且つ低消費電力の磁気記憶・演算素子等への応用が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７５４１７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／１５８２３０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  しかしながら、スキルミオンが生成される磁性薄膜に対して微細加工等の加工を施し、磁性薄膜の形状を変化させた場合、形状に依存して発生する磁気双極子の影響により、スキルミオンの動きが抑制されるという問題点を有している。【０００５】  本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、磁性薄膜の形状の変化に伴ってスキルミオンの動きが抑制されることを回避できるスキルミオン回路及びスキルミオン回路の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  本発明の一態様に係るスキルミオン回路は、スキルミオンの存在が可能であり、前記スキルミオンが伝搬される回路部分と、スキルミオンの存在が不可能である非回路部分とをパターニングしてある磁性膜を含む。【０００７】  本発明の一態様に係るスキルミオン回路の製造方法は、スキルミオンの存在が可能な磁性膜を成膜し、前記磁性膜の一部の領域における磁気特性を変化させることによって、スキルミオンが伝搬される回路部分と、スキルミオンの存在が不可能な非回路部分とを前記磁性膜にパターニングする。
【発明の効果】
【０００８】  上記一態様によれば、磁性薄膜の形状の変化に伴ってスキルミオンの動きが抑制されることを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係るスキルミオン回路の構成を示す模式図である。
【図２】磁性膜を含むスキルミオン回路の構造を示す模式的断面図である。
【図３Ａ】磁性膜に回路部分及び非回路部分をパターニングする手法の一例を説明する説明図である。
【図３Ｂ】磁性膜に回路部分及び非回路部分をパターニングする手法の一例を説明する説明図である。
【図４Ａ】磁性膜に回路部分及び非回路部分をパターニングする他の手法を説明する説明図である。
【図４Ｂ】磁性膜に回路部分及び非回路部分をパターニングする他の手法を説明する説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。（実施の形態１）  図１は本実施の形態に係るスキルミオン回路の構成を示す模式図である。本実施の形態に係るスキルミオン回路１は、スキルミオンＳの存在が可能であり、スキルミオンＳが伝搬される領域である回路部分１Ａと、スキルミオンＳの存在が不可能である非回路部分１Ｂとをパターニングした磁性膜１０を備える。
【００１１】  本実施の形態では、磁性薄膜中のある領域において磁化ベクトルを集めると、その磁化ベクトルの占める立体角が４πとなるベクトル構造をスキルミオンと称する。スキルミオンＳは、熱などの揺らぎにより、ランダムな動作（ブラウン運動）をすることが知られている。この結果、非常に少ないエネルギをスキルミオンＳに与えるだけで情報を伝搬させることが可能となる。本実施の形態では、磁性膜１０において、微細加工等の形状変化を伴う加工を磁性膜１０に対して施すことなく、スキルミオンＳが伝搬される領域（回路部分１Ａ）と、スキルミオンＳの存在が不可能である領域（非回路部分１Ｂ）とを磁性膜１０にパターニングしてあることを特徴との１つとしている。なお、回路部分１Ａで伝搬されるスキルミオンＳの動作は、スキルミオンＳのサイズがサブミクロンサイズであれば、磁気光学顕微鏡により視覚的に観察され得る。
【００１２】  図１では、簡略化のために、非回路部分１Ｂで囲まれる領域の中央に直線状の回路部分１Ａを１つだけパターニングした回路構成について示したが、スキルミオン回路１の回路構成はこの例に限定されるものではない。例えば、回路部分１Ａは、スキルミオンＳが伝搬される複数の伝搬路を有するものであってもよく、複数の伝搬路が交差するものであってもよい。また、回路部分１Ａは、情報の入力端子及び出力素子、並びに演算素子への接点等を有するものであってもよい。
【００１３】  スキルミオンＳが存在できる磁性体の一例はカイラル磁性体である。カイラル磁性体は、外部磁場の印加がない場合の磁気モーメントの配置が、磁気モーメントの進行方向に対して螺旋上に回転する磁気秩序相を伴う磁性体である。外部磁場を印加することにより、カイラル磁性体はスキルミオンＳが存在する状態を経て強磁性相となる。
【００１４】  図２は磁性膜１０を含むスキルミオン回路１の構造を示す模式的断面図である。スキルミオン回路１は、基板５０上に形成される磁性膜１０と、この磁性膜１０に積層される保護膜２０とを備える。基板５０は、例えばシリコン基板であり、適宜の厚みを有する。
【００１５】  磁性膜１０は、例えば、非磁性下地層１１、強磁性層１２、及び、非磁性挿入層１３がこの順に積層された積層構造を有する。
【００１６】  強磁性層１２は、結晶磁気異方性によって磁気モーメントが基板面に対して垂直に磁化する材料により形成される。このような材料には、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の磁性金属元素を含む材料、ＳｒＲｕＯ3 等のペロブスカイト型酸化物などが含まれる。本実施の形態では、強磁性層１２の一例として、コバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）を１．２５ｎｍの厚みに成膜した。なお、強磁性層１２の厚みは、スキルミオンＳを存在できる範囲内（若しくは、スキルミオンＳができる境界の条件）で材料に応じて適宜決定される。
【００１７】  非磁性下地層１１は、強磁性層１２の下側に成膜される。非磁性下地層１１の成膜により膜の平坦性が向上する。非磁性下地層１１は、例えばＴａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔなどの非磁性金属元素含む材料により形成される。本実施の形態では、一例としてタンタル（Ｔａ）を５ｎｍの厚みに成膜することで平坦性を実現する。
【００１８】  非磁性挿入層１３は、強いスピン軌道相互作用を有する。非磁性挿入層１３は、例えば、Ｔａ、Ｖ、Ｃｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｗ、Ａｕ、Ｐｔなどの非磁性金属元素を含む材料により形成される。本実施の形態では、非磁性挿入層１３の一例として、強磁性層１２の上側にタンタルを０．１６ｎｍの厚みに成膜した。非磁性挿入層１３の挿入によって強磁性層１２の空間的な非対称性を調整すると、界面付近のジャロシンスキー・守谷相互作用が変調される。ジャロシンスキー・守谷相互作用は、スキルミオンの磁化構造を変調させる。強磁性層１２が厚み方向に数原子程度の薄膜である場合、積層界面から強磁性層１２の表面にまでジャロシンスキー・守谷相互作用の影響が及ぶ。ジャロシンスキー・守谷相互作用により、平行に揃っていた強磁性層１２内の磁気モーメントは捩れた状態が安定的になり、スキルミオンＳが安定化する。
【００１９】  図２の例では、非磁性下地層１１、強磁性層１２、及び、非磁性挿入層１３がこの順に積層された３層構造の磁性膜１０を示したが、磁性膜１０は３層構造に限定されるものではない。例えば、磁性膜１０は、強磁性層と非磁性層とを交互に積層した多層構造を有していてもよい。
【００２０】  保護膜２０は、例えば、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を１．５ｎｍ程度に成膜した第１保護膜２１と、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ）を３ｎｍ程度に成膜した第２保護膜２２とを有する。図２の例では、ＭｇＯからなる第１保護膜２１と、ＳｉＯ2 からなる第２保護膜２２とを有する保護膜２０について示したが、保護膜２０の構成は図２の例に限定されるものではなく、使用目的等に応じて適宜変更され得る。
【００２１】  上述した磁性膜１０及び保護膜２０は、マグネトロンスパッタ装置を用いて形成することができる。すなわち、シリコン基板上に非磁性下地層１１、強磁性層１２、非磁性挿入層１３、第１保護膜２１、第２保護膜２２をこの順に積層することによって、磁性膜１０及び保護膜２０を形成することができる。なお、成膜方法としては、マグネトロンスパッタ法のほか、蒸着法、レーザアブレーション法、分子線得エピタキシー法等の薄膜作成法を用いることができる。
【００２２】  図３Ａ及び図３Ｂは磁性膜１０に回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂをパターニングする手法の一例を説明する説明図である。図３Ａは、保護膜２０の特定の領域にＳｉＯ2 を更に成膜することによって、保護膜２０の厚みを部分的に変化させた状態を示している。例えば、第２保護膜２２上にレジストを塗布して、電子線リソグラフィによるパターニングを行った後に部分的にレジストを除去し、レジストを除去した部分にスパッタ装置等によりＳｉＯ2 を蒸着することにより、保護膜２０の厚みを部分的に変化させることができる。ＳｉＯ2 の蒸着後に残るレジストは、超音波洗浄等により除去することができる。
【００２３】  一方、図３Ｂは、保護膜２０の特定の領域を除去することによって、保護膜２０の厚みを部分的に変化させた状態を示している。例えば、第２保護膜２２上にレジストを除去し、電子線リソグラフィによるパターニングを行った後に部分的にレジストを除去し、Ａｒミリング装置により第２保護膜２２の一部を削り出すことにより、保護膜２０の厚みを部分的に変化させることができる。第２保護膜２２の削り出しの後に残るレジストは、超音波洗浄等により除去することができる。
【００２４】  このように、成膜又は膜の除去により、保護膜２０の厚みを部分的に変化させ、磁性膜１０に歪みを生じさせることによって、磁性膜１０の二次元面内において磁気特性（磁気異方性、ジャロシンスキー・守谷相互作用、飽和磁化、交換相互作用のうちの少なくとも１つ）が異なる２つの領域を生じさせることができる。
【００２５】  実施の形態１では、保護膜２０の厚みを部分的に変化させ、磁性膜１０の一部の領域の磁気特性を変化させることにより、磁性膜１０に回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂのパターニングを行う。例えば、安定的にスキルミオンＳが存在できる条件にて磁性膜１０が成膜されている場合、この条件から外れるように磁性膜１０の厚みを変化させることによって、スキルミオンＳが存在できない領域（非回路部分１Ｂ）を部分的に形成することができる。逆に、スキルミオンＳが存在できる境界の条件で磁性膜１０が生成されている場合、磁性膜１０の厚みを変化させて条件をずらすことにより、スキルミオンＳが存在でき、スキルミオンＳが伝搬される領域（回路部分１Ａ）を部分的に形成することができる。
【００２６】  以上のように、実施の形態１では、微細加工などの加工によって磁性膜１０の形状を変化させることなく、磁性膜１０の２次元面内に、スキルミオンＳの存在が可能であり、スキルミオンＳが伝搬される回路部分１Ａと、スキルミオンＳの存在が不可能である非回路部分１Ｂとを形成することができる。この結果、磁性膜１０の２次元形状のエッジに現れる磁気双極子によって発生する反磁場の影響を抑えることができ、スキルミオンＳの動きが抑制されることを回避できる。
【００２７】  （実施の形態２）  実施の形態１では、保護膜２０の厚みを部分的に変化させることによって、回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂをパターニングする構成としたが、磁性膜１０に対してイオンをドープすることにより、回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂをパターニングすることも可能である。  実施の形態２では、磁性膜１０にイオンをドープすることにより、回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂをパターニングする構成について説明する。
【００２８】  図４Ａ及び図４Ｂは磁性膜１０に回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂをパターニングする他の手法を説明する説明図である。図４Ａは、回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂがパターニングされる前の磁性膜１０に対してイオンをドープした状態を示している。図４Ｂは、回路部分１Ａ及び非回路部分１Ｂがパターニングされる前の保護膜２０（磁性膜１０の近傍）にイオンをドープした状態を示している。たとえば、Ｓｉなどの非磁性元素のイオンをドープすることによって、交換相互作用の強度を変化させることが可能である。また、Ｔａ、Ｉｒ、Ｐｔなどの重金属元素のイオンをドープすることによって、ジャロシンスキー・守谷相互作用の強度を変化させることが可能である。よって、本実施形態では、Ｓｉなどの非磁性元素のイオン、又はＴａ、Ｉｒ、Ｐｔなどの重金属元素のイオンを、磁性膜１０又は磁性膜１０の近傍にドープすることによって、磁性膜１０の磁気特性（磁気異方性、ジャロシンスキー・守谷相互作用、飽和磁化、交換相互作用のうちの少なくとも１つ）を部分的に変化させることができる。
【００２９】  例えば、安定的にスキルミオンＳが存在できる条件にて磁性膜１０が成膜されている場合、この条件から外れるように上記イオンをドープすることによって、スキルミオンＳが存在できない領域（非回路部分１Ｂ）を部分的に形成することができる。逆に、スキルミオンＳが存在する境界の条件で磁性膜１０が生成されている場合、上記イオンをドープして条件をずらすことにより、スキルミオンＳが存在でき、スキルミオンＳが伝搬される領域（回路部分１Ａ）を部分的に形成することができる。
【００３０】  なお、適切な位置にイオンをドープするためには、イオンの飛程を適切に制御する必要がある。イオンの射影飛程及び射影標準偏差は、ＬＳＳ（Lindhard, Schiφtt, Scharff）理論に基づき算出可能であり、その理論的算出値と実験値とが精度良く一致することが知られている。このＬＳＳ理論に基づき、基板の材料や構造を考慮して、イオンの注入エネルギを設定することより、イオンの飛程を適切に制御することができる。例えば、ＳｉやＰｔのイオンを１ｎｍ〜１００ｎｍ程度の深さにドープするためには、１０ｅＶから１０００ｋｅＶ程度の注入エネルギが必要となる。
【００３１】  以上のように、実施の形態２では、微細加工などの加工によって磁性膜１０の形状を変化させることなく、磁性膜１０の２次元面内に、スキルミオンＳが安定化され、スキルミオンＳが伝搬する回路部分１Ａと、スキルミオンＳが存在できない非回路部分１Ｂとを形成することができる。この結果、磁性膜１０の２次元形状のエッジに現れる磁気双極子によって発生する反磁場の影響を抑えることができ、スキルミオンＳの動きが抑制されることを回避できる。
【００３２】  今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３３】  １  スキルミオン回路  １Ａ  回路部分  １Ｂ  非回路部分  １０  磁性膜  １１  非磁性下地層  １２  強磁性層  １３  非磁性挿入層  ２０  保護膜  ２１  第１保護膜  ２２  第２保護膜  Ｓ  スキルミオン
【図１】
2020059542.tif 000003
【図２】
2020059542.tif 000004
【図３Ａ】
2020059542.tif 000005
【図３Ｂ】
2020059542.tif 000006
【図４Ａ】
2020059542.tif 000007
【図４Ｂ】
2020059542.tif 000008
【国際調査報告】
2020059542.tif 000009
2020059542.tif 000010
2020059542.tif 000011
2020059542.tif 000012