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 thinfilms for perpendicular magnetoresistive random access memory
Yota Takamura
School of Engineering, Tokyo Institute of Technology
2-12-1 Ookayama, Meguro-ku, Tokyo 152-8552, JAPAN1.

背景予想され，CMS は実験的にも HMF 性が示されている 9,10．

現在，コンピューターやタブレット端末などの近年，MTJ の低消費電力書込(磁化反転)や高密情報機器デバイスの待機時の消費電力を大幅に削度集積化を実現するため，膜面垂直方向に磁化が減できる可能性があるメモリとして，不揮発性メ安定化した磁性膜で電極を構成した垂直磁化型

モリの研究開発が盛んに行われている．特に，磁MTJ(pMJT)11 が注目を集めている．そのため，pMTJ化の向きによって情報を記憶する，磁気抵抗変化に対応した HMF を開発する必要があるが，HMF

メ モ リ (MRAM; Magnetoresistive Random Access性と垂直磁気異方性を併せ持つ磁性材料は今のとMemory)1 は，高速読出・無限大の書換回数といっころ見つかっていない．したがって，何らかの方た優れた特性を持つため，有望な次世代メモリの法で HMF 材料に異方性を付与する必要がある．

1 つとして期待されている．

フルホイスラー合金薄膜に垂直磁気異方性を誘起

MRAM の情報記憶セルは，磁気トンネル接合させるには，界面磁気異方性を利用する方法が有効(MTJ)2,3 と呼ばれる強磁性体/トンネルバリア/強磁である 12．我々のグループでは，これまでのところ 2性体の 3 層構造から成るデバイスで構成され，磁種類の Co 基フルホイスラー合金 CMS と CFS に対化の相対的な向き(平行/反平行)に応じて抵抗値がして，垂直磁気異方性を付与することに成功した．

変化する．MTJ の最も重要な性能指標の一つは，CMS は，MgO 基板上に[CMS/Pd]人工格子膜を作

抵 抗 の 変 化 率 (TMR 比 ; Tunnel Magnetoresistive

製し，(111)基板を用いた場合垂直磁気異方性が得ら

Ratio)であり，TMR 比は強磁性体中の伝導電子のれることを明らかにした 13．さらに，磁気異方性の基スピンの偏りを表すスピン分極率に大きく依存す板方位依存性を定量的に評価し，基板方位と界面磁る．特に，フェルミレベル近傍で完全にスピン分気異方性の関係を明らかにした．Co2FeSi 薄膜は，極したスピン分極率 100%のハーフメタル強磁性

MgO と接合させ，界面磁気異方性を利用することで体(HMF)4–6 は，理論上無限大の TMR 比が得られる

垂直磁気異方性を付与した 14．この磁気異方性は Fe理想的な磁性材料として期待されている．と O の混成軌道に起因すると考えられる．
CFS/MgO

Co2FeSi(CFS)7 や Co2MnSi(CMS)8 などの一部の Co構造の MgO はトンネルバリア層とみなせる．した

基フルホイスラー合金は理論的に HMF であるとがって，垂直磁化型 MTJ の下部強磁性電極として用1いることができる．

気異方性が誘起されたことがわかる．暴露を行っ

本研究課題では，pMTJ の上部電極として用いるた試料の磁気異方性定数は，7.4×106 erg/cc と見積ことができる構造でも CFS を垂直磁化させ，上下両もった．この値は，CoFeB/MgO 二層膜の値よりも方の CFS が垂直磁化した MTJ 構造を作製すること大きい．

を目的とした．

2.

試料の作製

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 が形成されて全ての試料は，対向ターゲット式スパッタ(背圧いた．一方，酸素に暴露した試料では，界面に至る3.0×10−5 Pa)で MgO(001)単結晶基板上に作製した．

まで深さ方向に対して均一な MgO 膜が形成され

Cr 40 nm と Pd 50 nm を室温で作製し，その後，基ていることがわかった．CFS の表面の酸化や，酸板温度 TS を 300 °C に上げてから CFS 0.6 nm を素終端などにより，界面においても膜中と同程度Co2FeSi 合金ターゲットをスパッタすることで作の MgO が形成されたと考えられる．酸素欠損が少製した．次に，TS を室温に下げ，チャンバー内にない MgO/CFS 界面の形成により，Fe-O 結合の割酸素ガスを導入することで，CFS 表面を分圧 0.2 Pa合が増加し，垂直磁気異方性が誘起されたと考えの酸素雰囲気に 10 分間暴露した．さらに，MgO をられる．

RF スパッタ法で 2.0nm 成膜し，下部 CFS 層のみ図 1(b)の MTJ 構造を作製した．上部の CFS とのサンプルは，10nm の Ta でキャップした(図 1(a))．

Pd 層を TS = 300 °C で堆積した．上部 CFS 層のみ

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

図2 下部 CFS 層のみの試料の M-H 曲線 (a)酸素
図1 試料の積層構造(a)下部 CFS のみ(b)MTJ 構造
2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．

図3 上部 CFS 層のみ抽出した M-H 曲線

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4AFM 観察結果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，MH 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

図6 MTJ 構造の XRD パターン

CFS 層は等方的な磁気異方性を示すことがわかっ

下部，上部の CFS 層ともに垂直方向に磁化していた．
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，3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

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，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.

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.
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2T. Miyazaki and N. Tezuka, J. Magn. Magn. Mater.
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4R.A. De Groot, F.M. Mueller, P.G. Van Engen, andK.H.J. Buschow, Phys. Rev. Lett. 50, 2024 (1983).
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H. Kijima, T. Ishikawa, T. Marukame, K.I. Matsuda,T. Uemura, and M. Yamamoto, J. Magn. Magn. Mater.
310, 2006 (2007).
9M. 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).
10S. 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,

4

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 ofperpendicular MTJ structure using half metallic fullHeusler 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]nsuperlattice 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 ofperpendicular 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K. Shinohara, T. Suzuki, Y. Takamura, S. Nakagawa,“Oxygen partial gas pressure dependence of interfacial
perpendicular magnetic anisotropy in Co2FeSi/MgO thinfilms,” IEEE International Magnetics Conference(Intermag), 中国, 北京, 2015 年 5 月.
2.
S. Nakagawa, K. Shinohara, Y. Takamura, “Methods toinduce 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.

1.

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,

“Co2FeSi/MgO 積層界面への酸素曝露による磁気異3.

6.

方性への影響,” 第 40 回日本磁気学会学術講演会,ホイスラー合金薄膜への垂直磁気異方性付与,” H27

6PA-14, 金沢大学, 2016 年 9 月.

年度東京工業大学 スピントロニクスイノベーション

篠原 光貴, 鈴木 隆寛, 高村 陽太, 中川 茂樹,

研究推進体研究会, 東京都目黒区, 2015 年 8 月.

“Co2FeSi/MgO 界面での酸素導入による垂直磁気異方7.

電子材料シンポジウム, Fr1-13, 滋賀県, 2015 年 7 月.

MR2016-16, 東京, 2016 年 7 月.
篠原光貴, 高村陽太, 中川茂樹. “ハーフメタル・フル8.

園部義明, 中川茂樹, “フルホイスラー合金 Co2FeSi と造の作製.” マルチメディアストレージ研究会, 宮城

Co2MnSi への垂直磁気異方性の付与,” 磁気記録・情高村陽太, 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.

5高村陽太, 松下直輝, 篠原光貴, 鈴木隆寛, 藤野頼信,

ホイスラー合金 Co2FeSi を用いた垂直磁化型 MTJ 構県仙台市, 2016 年 6 月.
5.

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 回性の発現,” 磁気記録・情報ストレージ研究会(MR),4.

中川茂樹，高村陽太，”高スピン偏極率を有するフル9.

報ストレージ研究会, 東京都目黒区, 2015 年 7 月.
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, 神奈川県平塚市, 2015 年 3 月.