2010B1813

BL17SU

垂直磁化型磁壁移動メモリ用磁性細線の磁壁電流駆動その場観察
Observation of current induced domain wall motion in magnetic wires fordomain wall motion memory with perpendicular magnetic anisotropy
大嶋 則和 a, 谷川 博信 a, 小山 知弘 b, 千葉 大地 b, 小野 輝男 b, 小嗣 真人 c, 大河内 拓雄 c
Norikazu Ohshimaa, Hironobu Tanigawaa, Tomohiro Koyamab, Daichi Chibab, Teruo Onob,
Masato Kotsugic, Takuo Ohkochica

ルネサスエレクトロニクス株式会社, b 京都大学化学研究所, cJASRI/SPring-8a
Renesas Electronics Corp., bKyoto University, cJASRI/SPring-8

磁壁電流駆動ダイナミクスの解明および磁壁移動メモリの基本動作解析の一環として、SPELEEM を用いた Co/Ni 垂直磁化細線中に形成した磁壁の電流駆動現象観察をおこなっている。
2010B 期は、複数の磁性細線素子を同一条件で作製し、同一条件で電流パルスを与えたときの磁壁移動速度を統計的に調べ、磁壁移動の平均速度とそのばらつきを解析した。同一基板上に作製した 5-6 個の Co/Ni 垂直磁化細線素子に磁壁導入し、電流密度を J=2.6×1012A/m2、電流パルスを①10nsec×1、3、6 回の複数回、②10、30、60nsec の一回印加してその後の磁壁移動量を観察した。
観察には BL17SU 設置の SPELEEM 装置を用いた。①の複数回パルス印加をした素子では磁壁移動速度が約 35m/sec、ばらつきは約 20%であり、電気特性評価の結果と対応した。一方、②の単一の長いパルスで与えた場合、磁壁移動速度はパルス長とともに減少し、多磁区構造もみられた。
安定した磁壁移動のためには昇温を抑制する短パルス印加が有効であることがわかった。
これとあわせて SPELEEM 装置内で電流パルス印加し、磁壁電流駆動を実観察するための試料ホルダを作製し、初歩的な検討をおこなった。今期は磁区観察にいたらなかったが、ホルダ設計に対する指針を得ることができた。
キーワード：

磁性細線、磁壁電流駆動、垂直磁化、磁区観察、SPELEEM

背景と研究目的：
磁壁を形成した磁性細線に電流を通じると、スピン電流と局在磁気モーメントとの間で角運動量が受け渡されて磁化が回転し磁壁が動く。この現象は磁壁電流駆動と呼ばれ、新しいスピントロニクスの研究分野として実験・理論の側面から多くの興味が持たれている。これまでに磁壁移動メカニズム[1-11]やデバイス応用[12-15]などの研究が幅広く進められ、多くの新しい知見が得られている。
サブミクロン細線中に形成した磁壁は臨界電流密度 Jc 以上で移動をはじめ、その速度は Jc に比例すると考えられている。この特徴は、素子の微細化により磁壁が低電流で高速に移動することをあらわし、メモリ適用への可能性を示している。こうした観点に立ち、我々は磁壁電流駆動現象のメモリ応用にむけた研究を進めている。これまでに、磁性細線の両端に接続した二つのトランジスタからの電流で細線中の磁壁を動かす書き込み方式のメモリを提案し[12-14]、Co/Ni 垂直磁化細線による磁壁電流駆動を検証した[16,17]。また、模式的なデバイスを作製して低電力、高速 MRAM の可能性を示している[10-14]。これとあわせて、SPring-8、BL17SU 設置の光電子顕微
鏡 SPELEEM 㻔Spectroscopic Photo Emission and Low Energy Electron Microscope㻕を用いて Co/Ni 垂直磁化細線の磁区観察をおこない、磁壁電流駆動メカニズムの研究を進めている[18,19]。
2010A 期には、高コントラスト磁区観察のための試料構造最適化と 100-300nm 細線中磁壁移動量の電流密度・パルス幅依存性解析をおこなった。その結果、高コントラストな磁区観察が可能となり、磁壁電流駆動を確認できた[19]。ところが、電流印加条件と磁壁移動速度との系統的な関係を見出すことができなかった。電気特性測定から、磁壁移動速度は測定間および素子間でばらつくことが調べられており、一水準一試料の観察だけでは条件に対する系統性を見出せなかった可能性がある。磁壁移動速度のばらつきはメモリデバイスの動作性能の向上を妨げることでもあるため、原因を明らかにすることはメモリ応用上も重要である。そこで本課題では、磁壁移動速度を定量的に求めることを目的とし、複数の磁性細線素子に対して同一のパルス印加条件で電流を与えたときの磁壁移動を調べることにした。パルス印加条件として、単一パルスの時間幅依存性、短パルスの繰り返し印加について調べた結果、今回作製した素子では、磁壁移動速度に 20%程度のばらつきがあること、長いパルスを照射すると多磁区化する場合のあることが確認された。
これは電気特性で磁壁電流駆動を測定解析した結果と同じであった。また、SPELEEM 装置内でパルス電流を与え、磁壁電流駆動の実観察をするため試料ホルダを作製し、その予備検討をおこなった。本報告では、これらの検討結果について記述する。
実験：
1. 試料
Si 基板上に、Pt㻔1.6nm㻕/[Co㻔0.3nm㻕/Ni㻔0.9nm㻕]4/Co㻔0.3nm㻕/Pt㻔1.6nm㻕/Ta㻔3nm㻕/基板なる構成の垂直磁化膜を DC マグネトロンスパッタ法㻔MAGEST-T200 ULVAC 製㻕で作製した。この膜にレジストを塗布後、電子ビーム露光・Ar イオンミリングにより磁性細線を形成した。Co/Ni 磁性細線の線幅は 150nm である。磁性細線両端には、磁壁導入兼電流注入用の Au 細線㻔幅 500nm㻕と電流注入用のpad 状 Au 電極をリフトオフ法で形成した。また、Au 細線から 3.9μm の位置に Ta の磁壁検出用ホールバーを形成した。素子構造は、磁壁移動の電気特性評価に用いているものと同じであり、磁区観察と同一試料で電気的磁壁電流駆動測定が可能である。この素子に 4kOe の磁場を面直方向に印加して細線を単磁区化した後、まず Au 細線の両端に 25.5V、15nsec のパルス電圧を印加し、発生した局所磁場により磁壁を導入した。次いで磁性細線両端の Au 電極にパルス電圧を印加し、Co/Ni 細線に電流を注入した。本実験では電流密度を J=2.6×1012A/m2 とし、㻔1㻕幅 10nsec の 1、3、6 回の複数回電流パルス、および㻔2㻕幅 10、30、60nsec の単一電流パルスを印加した。SPELEEMの観察可能な視野範囲に形成された 12 個の素子すべてに磁壁を導入し、ひとつを除いて同一条件のパルス電流を印加した。
2. 磁区観察
磁区観察には大型放射光施設 SPring-8 の BL17SU（理化学研究所ビームライン）に設置されている ELMITEC 社製の SPELEEM 装置を用いた。Co L-III ピーク㻔770eV㻕において右回り偏光、左回り偏光を用いた像を撮影し、簡便のため右回り偏光像と左回り偏光像の比をとることで磁区像を得た。視野径は 5μmφ、15μmφとした。
結果：
図 1 に Au 細線からの磁場で磁壁導入した Co/Ni 細線の磁区像を示す。視野径㻔FOV㻕 は 15μm である。150nm 幅の Co/Ni 細線と電流導入用 Au 細線および Au pad、Ta ホールバーで構成されたデバイスが確認される。図 2㻔a㻕は図 1 に示した素子細線部分を FOV 5μmに拡大したものである。電流磁場で導入された磁壁が Au の細線端部から約 700nm の位置に形成されている。図 2 㻔b㻕および㻔c㻕は同一形状の異なる素子に幅 30nsecc、電流密度 2.6x1012A/m2 の同一条件で電流パルスを与えた後の磁区像である。磁壁が Au 細線端部から900-1500nm の位置に移動していることがわかる。このとき、パルス電流を同一条件で与えても磁壁位置は素子によって異なってい 図 1．SPELEEM 観察で得られた Co/Ni 細線る。磁壁移動距離がばらついていることを示している。そこで、パターンの磁区像同一条件で電流注入した 5-6 個の素子について観察をおこない、磁壁移動速度とそのばらつきのパルス幅に対する依存性を調べた。磁壁移動速度と複数パルスの総パルス幅との関係を図 3㻔a㻕、単一パルス幅との関係を図 3㻔b㻕に示す。10nsec パルスを複数回与えた場合の速度の変化は小さく、1 回で 37±8m/sec、3 回で 38±7m/sec、6 回で 31±5m/sec であった。一方、単一パルスを与えた場合、速度はパルス幅とともに減少し、10nsec で 37±8m/sec、30nsec

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[12] H. Numata, S.Tahara, Technical Digest of Intermag 2006, HQ-03.

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[18] ኱ᔱ๎࿴࡯࠿ ᖹᡂ 21 ᖺᗘ SPring-8 㔜Ⅼ⏘ᴗ฼⏝ㄢ㢟ᡂᯝሗ࿌᭩ p.73.
[19] ኱ᔱ๎࿴࡯࠿ ᖹᡂ 22 ᖺᗘ SPring-8 㔜Ⅼ⏘ᴗ฼⏝ㄢ㢟ᡂᯝሗ࿌᭩ p.65.