結晶MgOトンネル障壁の巨大トンネル磁気抵抗効果

湯浅 新治、片山 利一

共同研究者 および スポンサー
産総研

キヤノンアネルバ

大阪大基礎工

福島 章雄
長浜 太郎
久保田 均
A. A. Tulapurkar
片山 利一
薬師寺 啓
安藤 功兒

D. Djayaprawira
恒川 孝二
前原 大樹
長嶺 佳紀
長井 基将
山形 伸二
渡辺 直樹

鈴木 義茂
松本 利映
A. Deac東芝
與田グループの方々

新エネルギー・産業技術総合開発機構

内容(1) スピントロニクス と 磁気抵抗効果(2) トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）(3) 巨大TMR効果(4) XAS と XMCD による界面状態の研究(5) 巨大TMR効果のデバイスへの応用

スピントロニクス と 磁気抵抗効果
N-e

負の電荷
エレクトロニクス
・信号の増幅・論理演算
ただし揮発性S

スピン （小さな磁石）

電子

磁気工学
磁気抵抗効果& スピン・トルク

シリコンLSI

スピントロニクス
電子の電荷とスピンの両方を活用する新しいエレクトロニクス分野

・磁気記録

不揮発性HDD磁気抵抗効果 （Magneto-Resistance (MR)） とは？

電気抵抗（R）

磁界を印加すると、固体・素子の電気抵抗が変化する現象

磁気抵抗比（MR比）
磁気抵抗効果に必要な磁界
0磁界（H）

磁界信号・磁気状態 を 電気信号に変換
室温かつ低磁界（~1 mT）のMR比が、応用上重要
1 mTの低磁界で変化するのは、強磁性体の“磁化の方向”のみ強磁性体の磁化反転に起因した磁気抵抗効果を室温で実現することが必要

西暦
1857
1985

磁気抵抗効果MR比 （室温・低磁界）
AMR効果
MR = 1 - 2 %Lord Kelvin

GMR効果
MR = 5 - 15 %P. Grünberg, A.Fert（ノーベル賞 2007）

TMR効果
MR = 20 - 70 %宮崎照宣, J. Moodera

1990
1995
2000
20052010

内容(1) スピントロニクス と 磁気抵抗効果(2) トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）(3) 巨大TMR効果(4) XAS と XMCD による界面状態の研究(5) 巨大TMR効果のデバイスへの応用

磁気トンネル素子（MTJ素子） の トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）

強磁性電極
eeee

絶縁体（厚さ nm）（トンネル障壁）ee

強磁性電極
平行磁化（P）状態

反平行磁化（AP）状態

電気抵抗 RP : 低い

電気抵抗 RAP : 高いMR比 ≡ (RAP – RP) / RP×100 (%) （応用上の性能指数）

TMR効果の機構
Julliereモデル（1975）
ﾄﾝﾈﾙ障壁

FM 1

FM 2e

FM 2e

DOSDOSEF

D1↑

ﾄﾝﾈﾙ障壁

FM 1DOS

EF

D1↓

D2↑

D2↓

平行磁化
トンネル抵抗: RPMR ≡ (RAP – RP) / RP = 2P1P2 / (1 – P1P2),DOSEF

EF

D1↑

D1↓

D2↓

D2↑反平行磁化

トンネル抵抗: RAP( Dα ↑ ( EF ) − Dα ↓ ( EF ) ),Pα =+( Dα ↑ ( EF ) Dα ↓ ( EF ) )スピン分極率α = 1, 2.

TMR効果の研究開発の経緯
低温でTMR効果が発現することが1975年から知られていたが、室温では実現されなかったため、その後あまり注目されず
GMR効果の発見が契機となり、TMR効果が再び脚光を浴びる

室温 MR 比 (%)

1008060

強磁性電極

0Sony

強磁性電極
Tohoku4020

NVE

アモルファス Al-O

Fujitsu

宮崎（東北大）IBM

Fujitsu

INESC

IBM

Moodera
(MIT)

1995

2000
西暦2005

HDD の 再生磁気ヘッド への応用
読み出し
電流
Magnetic fieldsignalHDD の 記録密度 （Gbit / in2）

磁気ヘッド

記録媒体
再生磁気ヘッド（磁気抵抗素子）

記録媒体GMR

AMR

1000

TMR

GMRヘッドの出現

100■

■

■ ■
■■

■■

10

■

1■
■

0.1

■

■■

■
■ ■
■■

GMRヘッド

TMRヘッド(アモルファスのトンネル障壁)

0.01
1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008

西暦

ただし、
200 Gbit / inch 2 を超える超高密度HDD
実現のために、さらに大きなMR比が不可欠新しい不揮発性メモリ MRAM

MTJ
ワード線

“0”

ビット線

“1”

米国フリースケール社のMRAM （4 Mbit）
2006年から製品化＜MRAMの利点＞
不揮発性、 高速動作、 書き換え耐性 > 1016

＜MRAMの問題点＞
大容量化が困難 （128 Mbit 程度が上限）
Gbit級の大容量 MRAM を実現するには、① 150%を超えるMR比 と ② スピン・トルク書き込み の実現が必要

西暦（年）
18571985

磁気抵抗効果デバイス応用MR比（室温・低磁界）AMR効果

MR = 1 ~ 2 %HDDヘッドｲﾝﾀﾞｸﾃｨﾌﾞ
ヘッド

GMR効果

MR = 5 ~ 15 %

1990
1995
2000
2005
2010

TMR効果

AMRヘッドMR = 20 ~ 70 %GMRヘッドメモリ
TMRヘッドMRAM

より高集積で高性能な次世代デバイスを開発するためには、より大きなMR比の実現が不可欠内容(1) スピントロニクス と 磁気抵抗効果(2) トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）(3) 巨大TMR効果(4) XAS と XMCD による界面状態の研究(5) 巨大TMR効果のデバイスへの応用

結晶性の酸化マグネシウム MgO(001) に関する理論予測

Fe(001)
MgO(001)
Fe(001)＜理論予測＞ 第一原理計算
・Butler et al., Phys. Rev. B 63, 056614-1 (2001).
・Mathon & Umerski, Phys. Rev. B 63, 220403-1 (2001).

MR 比 ＞ 1000%

トンネル障壁の対称性 と トンネル過程アモルファス Al-O トンネル障壁

結晶 MgO(001) トンネル障壁

対称性なし

4回転対称

Δ2’Δ2’Fe(001)

Δ5Δ1

アモルファス
Al-OFe(001)結晶MgO(001)

Fe(001)Δ5Δ1Δ1Δ1

電極中の種々のブロッホ状態が混ざり合ってトンネルしてしまう

高対称 Δ1 ブロッホ状態が支配的にトンネル伝導する

MR比が100%を越えられない

MR比＞1000%（第一原理計算）

量子力学の教科書に書いてあるトンネル描像
バリア幅 t自由電子の平面波
exp( i k·z )障壁ポテンシャルは真空

バリア高さ φEF電極
DOSが指数関数的に減少
exp( – κ·z )トンネル障壁電極

トンネル障壁幅 t を厚くすると、トンネル透過率 T は指数関数的に減少する

T ∝ exp(

2φ8m / h ×t ) m: 電子の有効質量

現実の絶縁体トンネル障壁の電子トンネル
金属中のブロッホ波

絶縁体の伝導バンドφバンドギャップ

EF

荷電子バンド電極

絶縁体電極

絶縁体バンドギャップ中のエバネッセント状態

ブロッホ状態 や エヴァネッセント状態は、(i) 特有の波動関数の軌道対称性 と (ii) 特有のバンド分散 を持っている
ブロッホ状態とエバネッセント状態の界面における接続も重要

MgO障壁内のエヴァネッセント状態の減衰長Δ1 (spd)

FeMgO

Δ5 (pd)FeΔ2’(d)Δ1 : s + pz + d 2z2 – x2 – y2Butler (2001).

ブロッホ状態とエヴァネッセント状態の波動関数の接続
波動関数の対称性が保存されるコヒーレントなトンネルの場合
MgO(001)

Fe(001)Δ1Δ1Δ1Δ5Δ5Δ5Δ2Δ2’Δ2Fe(001)k⊥k//

Fe(001) のバンド構造（k// =0 方向）

E - EF ( eV )1.5Δ1↓

1.00.5majority spin
minority spin

Δ1↑
EF0.0-0.5Γ(001) directionH

完全にスピン分極した Δ1 バンド（P=1）⇒ 巨大なTMR効果 が理論的に期待される
Δ1 バンドが完全にスピン分極しているのは bcc Fe に限った話ではなく、Fe や Co を主成分とする bcc強磁性合金は類似のバンド構造を持つ（例） bcc Fe-Co, ホイスラー合金など

界面 の 重要性
(理論計算)

Zhang, et al.: Phys. Rev. B 68, 092402 (2003).

過剰な酸素原子k⊥Δ1↑ 電子状態k//
理想的な界面酸化された界面

Fe- Δ1↑ 状態は k// = 0方向でMgO-Δ1 に接続

Fe- Δ1↑ は k// = 0方向でMgO-Δ1 に接続できない

MR 比 ＞ 1000%

MR 比 ＜ 100%

MBE成長による エピタキシャルMgO-MTJ素子の作製産総研、JSTさきがけ
Fe(001)
MgO(001)
Fe(001)

2 nm
特殊な単結晶基板断面の電子顕微鏡（TEM）写真

１日 １枚

Yuasa et al., Nature Materials 3, 868 (2004).

結晶 MgOトンネル素子の“巨大TMR効果”の実現＜産総研＞＜米国 IBM＞

エピタキシャルMgO-MTJ素子

配向性多結晶MgO-MTJ素子
180200RT160

T = 20 K
MR = 247%

MR ratio (%)

MR ratio (%)

300

T = 293 K
MR = 180%100

140120100806040
200-200 -100

0H ( Oe )100200

Yuasa et al., Nature Mater. 3, 868 (2004).

0-1000-500

H ( Oe )0Parkin (IBM), Nature Mater. 3, 862 (2004).

現在の最高値は1000%

260240“巨大 TMR 効果”

MR比 (%) （室温）220200

産総研 [2]結晶 MgO(001)
トンネル障壁

180160IBM [3]1401201008060

アモルファス Al-O
トンネル障壁

産総研 [1]40200199520002005

西暦（年）[1] Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004). [2] Yuasa, Nature Mater. 3, 868 (2004).
[3] Parkin, Nature Mater. 3, 862 (2004).

内容(1) スピントロニクス と 磁気抵抗効果(2) トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）(3) 巨大TMR効果(4) XAS と XMCD による界面状態の研究(5) 巨大TMR効果のデバイスへの応用

XAS: X-ray Absorption Spectroscopy （X線吸収スペクトル）
XMCD: X-ray Magnetic Circular Dichroism （X線円磁気二色性）

Fe(001) / MgO(001) 界面の研究
放射光を用いた XAS と XMCD の測定（KEK-PF）
Al-O

MgO(001)
Fe(001) 1 ML

Fe-O 1 ML

Fe(001) 1 ML

bcc Co(001)
6 ML

bcc Co(001)
6 ML

bcc Co(001)
6 ML

(a)

(b)

(c)

Fe - L2,3 吸収端を用いて、界面１原子層のFeを調べる
XAS ⇒ 酸素原子との結合
XMCD ⇒ 磁気モーメント
Miyokawa et al.: Jpn. J. Appl. Phys. 44 Part II, L9 (2005).

(b) Co(6 ML)/Fe-O(1 ML)
0.25

Fe-L3

B=0T

XAS ( a.u. )

0.20

0.15

Fe-L2

0.10

0.05

0705

710715720

Photon energy ( eV )Fe-O に特有のピーク分裂を観測

725

(a) Co(6 ML)/Fe(1 ML)/MgO(001)

XAS & XMCD ( a.u. )

0.8

Fe-L3

XAS ( μ+ )XAS ( μ- )XMCD ( μ+ − μ- )

0.6
0.4

Fe-L20.20.0-0.2

B = ±3 T-0.4
700710720730740

Photon Energy ( eV )Feは酸化しておらず、大きな磁気モーメントを持っている(c) Co(6 ML)/Fe(1 ML)/Al-O

XAS & XMCD ( a.u. )

0.8

Fe-L3

XAS ( μ+ )XAS ( μ- )XMCD ( μ+ − μ- )0.60.4Fe-L20.20.0-0.2-0.4
700710720730740

Photon Energy ( eV )Feは酸化しておらず、大きな磁気モーメントを持っている

界面の Fe 原子の磁気モーメント
Total magnetic moment

MgO(001)

Al-O

Fe(001) 1 ML

Fe-O 1 MLFe(001) 1 ML

bcc Co(001)
6 ML

bcc Co(001)
6 ML

bcc Co(001)
6 ML

(a)

(b)

(d)

μFe = 2.6 μB

μFe = 0.3 μB

μFe = 2.9 μB

MR = 250 %MR = 20 %界面Feの磁気モーメントとMR比の間には、直接的な相関はない

内容(1) スピントロニクス と 磁気抵抗効果(2) トンネル磁気抵抗効果（TMR効果）(3) 巨大TMR効果(4) XAS と XMCD による界面状態の研究(5) 巨大TMR効果のデバイスへの応用

260
240

MR比 (%) （室温）220

MgO(001)
障壁

200

IBM [3]
産総研 [2]

MgO(001)
FeCo(001)160

配向性多結晶
MTJ素子

140MgO(001)120Fe(001)

180

100

アモルファス
Al-O 障壁8060

産総研 [1]

エピタキシャル
MTJ素子

40200199520002005

西暦（年）[1] Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004). [2] Yuasa, Nature Mater. 3, 868 (2004).
[3] Parkin, Nature Mater. 3, 862 (2004). [4] Djayaprawira, SY, APL 86, 092502 (2005).

HDD磁気ヘッド や MRAM の基本構造

強磁性電極

or

トンネル障壁
強磁性電極
Ru
Co-Fe
反強磁性層（Pt-Mnなど）

この下部構造はfcc（111）配向膜（面内3回転対称）＜問題点＞
fcc (111)（3回転対称）の上にMgO(001)（4回転対称）を成長することは、通常は不可能

MR比 (%) （室温）260240ｷﾔﾉﾝｱﾈﾙﾊﾞ-産総研 [4]220

IBM [3]200

MgO(001)障壁

産総研 [2]MgO(001)ｱﾓﾙﾌｧｽCoFeB
MgO(001)
FeCo(001)160

配向性多結晶
MTJ素子

140MgO(001)120

Fe(001)

180

100

アモルファス
Al-O 障壁80

産総研 [1]

エピタキシャル
MTJ素子

60
40
200

1995

2000

2005

西暦（年）
[1] Yuasa, Jpn. J. Appl. Phys. 43, L558 (2004). [2] Yuasa, Nature Mater. 3, 868 (2004).
[3] Parkin, Nature Mater. 3, 862 (2004). [4] Djayaprawira, SY, APL 86, 092502 (2005).

アモルファス CoFeB合金を用いて、結晶成長の難題を解決

産総研、キヤノンアネルバ
250℃以上で熱処理
結晶の対称性

アモルファス CoFeB合金

4回転

MgO(001)

対称性無し

アモルファス CoFeB合金
RuCo-Fe

3回転

2 nm

bcc CoFeB (001)結晶化

MgO(001)
bcc CoFeB (001)1 nm＜熱処理後の構造＞

反強磁性 Pt-Mn＜成膜直後の構造＞

巨大TMR効果が発現

MgOトンネル素子の量産技術を開発

産総研、キヤノンアネルバ

HDD産業界で世界標準の生産用スパッタ装置

大型の Si ウエハ
1日 100枚

現在、スピントロニクス応用の主流技術

界面制御のためのスパッタ成膜プロセスの改良
MgO成膜時に不純ガス分子（主にH2O）を徹底的に除去
スパッタガス（Ar）

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

TMR薄膜ターゲット（MgO）
H2O

プラズマ
H2O

基板
H2O

H2O
H2O
H2O

ターゲット粒子

H2O

水分子を強く吸着する性質のある金属層（タンタル）磁気抵抗効果
MR比（室温・低磁界）
西暦
1857
1985

産業応用

AMR効果
MR = 1 - 2 %HDD 磁気ヘッド

Lord Kelvin

電磁誘導ヘッド: すでに製品化

GMR効果
MR = 5 - 15 %1990 P. Grünberg, A. Fert
1995

TMR効果
MR = 20 - 70 %宮崎照宣, J.Moodera
2000
2005
2010

: 研究開発中MRヘッド

GMRヘッド巨大TMR効果

TMRヘッド

湯浅新治, S. Parkin

MgO-TMRヘッド

MR = 100 - 1000 %

不揮発性メモリ
MRAM

スピンRAM

新規デバイス

マイクロ波発振器

MgO-TMRヘッドの製品化 と 超高密度 HDD の実現
MgO-TMR ヘッド◆ 2007年に製品化（HDDメーカー各社）◆ 500 Gbit / inch2 の超高密度HDDが実現（以前の 3倍以上に）◆ 将来的に 1 Tbit / inch2 まで実現可能

MgO-MTJ素子
20 nm
電子顕微鏡写真磁気抵抗効果
MR比（室温・低磁界）
西暦
1857
1985

産業応用

AMR効果
MR = 1 - 2 %HDD 磁気ヘッド

Lord Kelvin

電磁誘導ヘッド: すでに製品化

GMR効果
MR = 5 - 15 %1990 P. Grünberg, A. Fert
1995

TMR効果
MR = 20 - 70 %宮崎照宣, J.Moodera
2000
2005
2010

: 研究開発中MRヘッド

GMRヘッド巨大TMR効果

TMRヘッド

湯浅新治, S. Parkin

MgO-TMRヘッド

MR = 100 - 1000 %

不揮発性メモリ
MRAM

スピンRAM

新規デバイス

マイクロ波発振器

スピン・トルク MRAM （スピンRAM）
ソニーが試作した 4 kbit のスピンRAM(Hosomi et al., IEDM 2005.)

Capping layer

MTJCoFeB

Bit Line

Pt-Mn

MgO

Buffer layer

CoFeB
Ru

10 nm
CMOS

1 nm

(ソニーご提供 )CoFe垂直磁化 MTJ 素子を用いた スピンRAM の開発
東芝，産総研，他, IEDM (2008) 12.6.
100 nsec.

MgO(001)
A TEM image of 50 nm-sized MTJ

R (a.u.)or30 nsec.

I

10 nsec.

0510 t (nsec.)
I (a.u.)A CMOS integrated 1 kbit MTJ array

垂直磁化MgO-MTJは、超Gbit級スピンRAMの最有力解磁気抵抗効果
MR比（室温・低磁界）
西暦
1857
1985

産業応用

AMR効果
MR = 1 - 2 %HDD 磁気ヘッド

Lord Kelvin

電磁誘導ヘッド: すでに製品化

GMR効果
MR = 5 - 15 %1990 P. Grünberg, A. Fert
1995

TMR効果
MR = 20 - 70 %宮崎照宣, J.Moodera
2000
2005
2010

: 研究開発中MRヘッド

GMRヘッド巨大TMR効果

TMRヘッド

湯浅新治, S. Parkin

MgO-TMRヘッド

MR = 100 - 1000 %

不揮発性メモリ
MRAM

スピンRAM

新規デバイス

マイクロ波発振器