研究紹介
丸文学術賞 受賞者

磁気トンネル接合素子のトンネル磁気抵抗効果の研究― 酸化マグネシウムを用いた高性能磁気トンネル接合素子の実現 ―湯浅 新治
産業技術総合研究所 エレクトロニクス研究部門 研究グループ長

研究背景

化が反平行なときのトンネル抵抗（R AP ）をトンネル障壁に用いたFe（001）/MgO

は、平行なときのトンネル抵抗（R P ）よりも（001）/Fe（001）構造のエピタキシャル

伝導電子の電荷とスピンの両方を活用大きな値となる（図1（a、b））。ここでトンネ

MTJ素子に関する第一原理計算によって、して新機能の創出するスピントロニクス分

ル抵抗の変化率をMR比=（R AP-R P ）/R P

1000%を超える巨大なTMR効果が理論

野で応用上最も重要な現象が、トンネル磁と定義すると、これがMTJ素子の性能指数コヒーレントな的に予測された【2】。これは、

気 抵 抗 効 果（ T u n n e l i n g M a g n e t oとなる。TMR効果は高感度磁気センサー

スピン依存トンネルに起因したものである。

Resistance（TMR）効果）である。1995

や新しい不揮発性メモリMRAMを開発す

電極中には種々の対称性を持つブロッホ

年に図1のような磁気トンネル接合素子るための中核技術である。過去10年間、
ト

電子状態が存在するが、アモルファスAl-（Magnetic Tunnel Junction（MTJ）素

ンネル障壁材料としてアモルファス酸化ア

O障壁の場合（図1（c））、障壁中や界面子：厚さ数nm以下の絶縁体トンネル障壁

ルミニウム（Al-O）を用いた実用MTJ素子に対称性が無いため、これら全てのブロッ層を2枚の強磁性電極層で挟んだ接合素の研究開発が精力的に行われ、これまでにホ状態（上向き・下向きスピンの両方が多子）が室温で18%という当時としては非常室温で約70%のMR比が実現されていた。

数存在）が有限確率で障壁中の浸み出し【1】に大きな磁気抵抗を示すことが発見され 、しかし、次世代デバイス開発のためには、少電子状態に結合する結果、MR比が低下

TMR効果と名付けられた。この現象は伝なくともその2倍以上の巨大なMR比が切してしまう。一方、高対称構造を持つエピ導電子のスピンに依存したトンネル効果に望されていた。

タキシャルFe/MgO/Feトンネル接合の場起因している。通常、両側の電極層の磁（a）

一方、単結晶の酸化マグネシウム
（MgO）

（b）

（c）

強磁気性電極層トンネル障壁

強磁気性電極層

素子抵抗 RP：小素子抵抗 RAP：大図1 トンネル過程の概念図
TMR効果の概念図。
（a）両側の強磁性電極の磁化が平行な場合と、（b）反平行な場合。
（c）アモルファスAl-Oトンネル障壁の場合のトンネル過程。
（d）結晶MgO（001）
トンネル障壁の場合のトンネル過程。

合（図1（d））、主にs電子的な高対称Δ1（d）

ブロッホ状態のみがMgOのΔ1浸み出し電その子状態に結合する。MgO-Δ1状態は、他の低対称な浸み出し状態に比べて障壁（a）

中での状態密度の減衰距離が非常に長いため、MgO-Δ1 状態を介したトンネル過程がトンネル電流を支配することになる。
電極中のΔ1ブロッホ状態はフェルミレベルで完 全にスピン分 極しているため、巨 大（b）

TMR効果の出現が予想される。この理論予測と前後して、MgO障壁MTJの作製が多数の研究機関によって試みられたが、AlO障壁を越えるTMR効果は実現されず、MgO障壁に対する期待は失われていった。

研究の成果
先ずはじめに超高真空蒸着（MBE）法

図2 （a）Fe（001）/MgO（001）/Fe（001）
エピタキシャルMTJ素子の断面透過電子顕微鏡写真。
（b）
は（a）の拡大写真。

開 発を 行 った 。ス パッタ 法を 用 い て

後のスピントロニクス実用デバイスの研究

CoFeB/MgO/CoFeB構造のMTJ薄膜を

開発はMgO-MTJを中心に展開されてい。CoFeB合金

くと予想される。MgO-MTJを用いた次世

大径ウエハ上に作製した【5】を用いて、単結晶基板上にエピタキシャルの電極層は成膜直後の状態ではアモルフ

代ハードディスク磁気ヘッドは比較的速やFe/MgO/Fe構造のMTJを作製した【3、4】。

ァスであるが、その上に積層したMgO障壁かに実用化されるものと期待される。一方、ここで、トンネル障壁／電極界面の過剰酸は（001）配向した多結晶層である。この構

大容量MRAMに関しても、巨大TMR効化を抑制することが成功の鍵と考え、成長造は任意の下地の上に室温スパッタ成膜果によって読出しに関する問題は解決で条 件を工 夫した。図 2は、エピタキシャルで作製可能であるため、その生産プロセスきる目 処 が 立った 。G b i t 級 の 大 容 量

MTJの断面の電子顕微鏡写真である。高適合性は理想的である。この構造のMTJMRAM実現に向けて残された最大の課品質の単結晶MgO（001）
トンネル障壁と素子でも室温で230%という巨大TMR効

題は低電力書込み技術の確立であり、ス原子レベルで平坦な界面で構成されてい果が得られた。現在までに室温で300%ピン注入磁化反転による書込み法が有望る。この薄膜を微細加工してMTJ素子をを超えるMR比が実現されている。その後視されている。MgO-MTJとスピン注入書作製し、室温で180%という巨大なMR比の研究で、ポスト・アニールによってCoFeB込みを用いた大容量MRAMの実現に向を実現した（図3） 。さらに、MgO障壁幅電極層がbcc（ 001）構造に結晶化する結けて研究開発が精力的に進められている。

【4】

【5】

に対してMR比が振動するという、コヒーレ果、巨大TMR効果が発現するという機構

基礎研究面では、エピタキシャルMgO-MTJ

ント・トンネルに起因した新現象の観測にが明らかになった【6】。

によって複雑なスピン依存トンネル現象のも成功した。
エピタキシャルMTJを作製するには特殊詳細な物理機構が解明されていくものと今後の展望期待される。

な単結晶基板とシード層が必要なため、そのままでは応用には不向きである。そこでMgO障壁MTJ素子の室温巨大TMR

次に、MgO-MTJ素子の生産プロセスの効果によって明るい展望が開かれた。今R e f e r e n c e s（ 参 考 文 献 ）【1】T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn.
Mater. 139, L231（1995）.
【2】W. H. Butler, X.-G. Zhang, T. C. Schulthessand J. M. Maclaren, Phys. Rev. B 63, 054416（2001）.
【3】S. Yuasa, A. Fukushima, T. Nagahama, K.
Ando and Y. Suzuki, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L588
（2004）.
【4】S. Yuasa, T. Nagahama, A. Fukushima, Y.
Suzuki and K. Ando, Nature Mater. 3, 868（2004）.
【5】D. D. Djayaprawira, K. Tsunekawa, M. Nagai,
H. Maehara, S. Yamagata, N. Watanabe, S.
Yuasa, Y. Suzuki and K. Ando: Appl. Phys. Lett.
86, 092502（2005）.

図3 Fe（001）/MgO（001）/Fe（001）
エピタキシャルMTJ素子の磁気抵抗特性。

【6】S. Yuasa, Y. Suzuki, T. Katayama and K.
Ando, Appl. Phys. Lett. 87, 242503（2005）.