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JP2018181975A - Method of increasing spin-orbit interaction and spin device - Google Patents

Method of increasing spin-orbit interaction and spin device Download PDF

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JP2018181975A JP2017076621A JP2017076621A JP2018181975A JP 2018181975 A JP2018181975 A JP 2018181975A JP 2017076621 A JP2017076621 A JP 2017076621A JP 2017076621 A JP2017076621 A JP 2017076621A JP 2018181975 A JP2018181975 A JP 2018181975A
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哲臣 寒川
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Abstract

【課題】より低コストで実用化できるスピンデバイスを提供する。【解決手段】Cuからなる金属材料層に窒素を添加して金属材料層のスピン軌道相互作用を増大させる。Cuは、スピン軌道相互作用が弱い材料であり、スピンデバイスに適用できない材料である。これに対し、銅の薄膜(金属材料層)に対し、窒素を不純物として添加することで、スピン軌道相互作用が増大し、スピンデバイスに適用可能となる。安価な材料であるCuおよび窒素により、スピン軌道相互作用の強さを白金などの希少金属と同程度にすることができ、これら高価な材料系を安価な材料で代替することが可能となり、スピンデバイスのコスト削減につながる。スピン注入磁気メモリは、スピン注入層(窒素を添加した金属材料層)101と、スピン注入層101の上に形成された強磁性体からなる自由層102とを備える。【選択図】図5PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spin device which can be put into practical use at a lower cost. SOLUTION: Nitrogen is added to a metal material layer made of Cu to increase the spin-orbit interaction of the metal material layer. Cu is a material having a weak spin-orbit interaction and cannot be applied to a spin device. On the other hand, by adding nitrogen as an impurity to the copper thin film (metal material layer), the spin-orbit interaction is increased, and the spin device can be applied. With inexpensive materials Cu and nitrogen, the strength of spin-orbit interaction can be made comparable to that of rare metals such as platinum, and these expensive material systems can be replaced with inexpensive materials, and spin can be achieved. This leads to device cost reduction. The spin injection magnetic memory includes a spin injection layer (metal material layer to which nitrogen is added) 101 and a free layer 102 made of a ferromagnet formed on the spin injection layer 101. [Selection diagram] Fig. 5

Description

本発明は、金属材料のスピン軌道相互作用を増大するスピン軌道相互作用の増大方法およびスピン軌道相互作用を増大した金属材料を用いたスピンデバイスに関する。   The present invention relates to a method of increasing spin-orbit interaction which increases spin-orbit interaction of a metal material, and a spin device using the metal material which has increased spin-orbit interaction.

スピン軌道相互作用の強い材料は、スピンホール効果を通したスピン流生成やスピン軌道トルクによる磁化反転に関して重要であり、高効率なスピン流生成が可能な材料の探索が盛んに行われている。   Materials with strong spin-orbit interaction are important for spin current generation through the spin Hall effect and magnetization reversal by spin orbit torque, and a search for materials capable of highly efficient spin current generation is actively conducted.

Y. Niimi et al., "Giant Spin Hall Effect Induced by Skew Scattering from Bismuth Impurities inside Thin Film CuBi Alloys", Physical Review Letters, PRL 109, 156602, 2012.Y. Niimi et al., "Giant Spin Hall Effect Induced by Skew Scattering from Bismuth Impurities inside Thin Film CuBi Alloys", Physical Review Letters, PRL 109, 156602, 2012. C. Navio et al., "Intrinsic surface band bending in Cu3N(100) ultrathin films", Physical Review B, vol. 76, no. 8, 085105, 2007.C. Navio et al., "Intrinsic surface band bending in Cu3N (100) ultrathin films", Physical Review B, vol. 76, no. 8, 085105, 2007. S. Hikami, et al., "Spin-Orbit Interaction and Magnetoresistance in the Two Dimensional Random System", Prog. Theor. Phys. vol. 63, no. 2, pp. 707-710, 1980, Progress Letters.S. Hikami, et al., "Spin-Orbit Interaction and Magnetoresistance in the Two-Dimensional Random System", Prog. Theor. Phys. Vol. 63, no. 2, pp. 707-710, 1980, Progress Letters.

しかしながら、スピン軌道相互作用の強い材料系の多くは、白金やタンタル、タングステンなどの希少金属であり、これらの材料系はスピンデバイスの実用化を考慮する上で、高コストになり、また元素戦略の観点から不利である。   However, many of the material systems with strong spin-orbit interaction are rare metals such as platinum, tantalum and tungsten, and these material systems become expensive in consideration of practical use of spin devices, and their element strategies From the point of view of

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、より低コストでスピンデバイスが実用化できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to enable spin devices to be put to practical use at lower cost.

本発明に係るスピン軌道相互作用の増大方法は、金属からなる金属材料層に窒素を添加して金属材料層のスピン軌道相互作用を増大させるようにしたものである。なお、金属はCuである。   The method of increasing the spin-orbit interaction according to the present invention is to add nitrogen to the metal material layer made of metal to increase the spin-orbit interaction of the metal material layer. The metal is Cu.

本発明に係るスピンデバイスは、窒素を添加した金属からなる金属材料層から構成したものである。   The spin device according to the present invention is composed of a metal material layer made of a metal to which nitrogen is added.

上記スピンデバイスにおいて、スピンデバイスは、スピン注入磁気メモリであり、金属材料層からなるスピン注入層と、スピン注入層の上に形成された強磁性体からなる自由層と、自由層の上に形成されたトンネルバリア層と、トンネルバリア層の上に形成された強磁性体からなる固定層と、固定層の上に形成された上部電極とを備える。なお、金属はCuである。   In the spin device, the spin device is a spin injection magnetic memory, and is formed on a spin injection layer made of a metal material layer, a free layer made of a ferromagnetic material formed on the spin injection layer, and a free layer A tunnel barrier layer, a fixed layer of ferromagnetic material formed on the tunnel barrier layer, and an upper electrode formed on the fixed layer. The metal is Cu.

以上説明したように、本発明によれば、窒素を添加したCuからなる金属材料層を用いるようにしたので、より低コストでスピンデバイスが実用化できるという優れた効果が得られる。   As described above, according to the present invention, since the metal material layer made of Cu to which nitrogen is added is used, the excellent effect that the spin device can be put to practical use at lower cost can be obtained.

図1は、実施の形態における窒化銅の特性を測定するために作製したホールバー素子の構成を示す平面図である。FIG. 1 is a plan view showing the configuration of a hole bar element manufactured to measure the characteristics of copper nitride in the embodiment. 図2は、実施の形態における反応性スパッタで作製した窒化銅薄膜の温度2Kにおける比抵抗の、窒素分圧に対する変化を示す特性図である。FIG. 2 is a characteristic diagram showing the change in the specific resistance at a temperature of 2 K of the copper nitride thin film produced by reactive sputtering in the embodiment with respect to the nitrogen partial pressure. 図3は、実施の形態における反応性スパッタで作製した窒化銅薄膜の局在現象の観測結果を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing the observation results of the localized phenomenon of the copper nitride thin film produced by reactive sputtering in the embodiment. 図4は、実施の形態における反応性スパッタで作製した窒化銅薄膜のスピン緩和長の、窒素分圧に対する変化を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing a change in spin relaxation length of a copper nitride thin film produced by reactive sputtering in the embodiment with respect to a nitrogen partial pressure. 図5は、本発明の実施の形態におけるスピンデバイスであるスピン注入磁気メモリの構成を示す構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram showing a configuration of a spin injection magnetic memory which is a spin device in the embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態について説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.

本発明の実施の形態におけるスピン軌道相互作用の増大方法は、金属からなる金属材料層に窒素を添加して金属材料層のスピン軌道相互作用を増大させるものである。金属は、非磁性の金属であり、例えば、銅(Cu)である。   The method of increasing the spin-orbit interaction in the embodiment of the present invention is to add nitrogen to the metal material layer made of metal to increase the spin-orbit interaction of the metal material layer. The metal is a nonmagnetic metal, for example, copper (Cu).

Cuは、よく知られているように、スピン軌道相互作用が弱い材料であり、スピンデバイスに適用できない材料である。これに対し、発明者らの鋭意の検討・研究の結果、銅の薄膜(金属材料層)に対し、窒素を不純物として添加することで、スピン軌道相互作用が増大し、スピンデバイスに適用可能であることを見いだした。安価な材料であるCuおよび窒素により、スピン軌道相互作用の強さを白金などの希少金属と同程度にすることができ、これら高価な材料系を安価な材料で代替することが可能となり、スピンデバイスのコスト削減につながる。   As well known, Cu is a material having weak spin-orbit interaction and can not be applied to spin devices. On the other hand, as a result of intensive studies and studies by the inventors, by adding nitrogen as an impurity to a copper thin film (metal material layer), the spin-orbit interaction is increased, which is applicable to spin devices. I found something. The inexpensive materials Cu and nitrogen make it possible to make the strength of spin-orbit interaction comparable to that of rare metals such as platinum, make it possible to replace these expensive material systems with inexpensive materials, and It leads to the cost reduction of the device.

これまでも、スピン軌道相互作用の小さいCuなどの薄膜に、Biなどの希少金属元素を少量混入させることで、大きなスピン軌道相互作用を生み出す技術が提案されている(非特許文献1)。しかしながら、この技術では、希少金属を用いているため、コストを低下することが容易ではない。   Until now, the technology which produces large spin orbital interaction is proposed by making a small amount of rare metal elements, such as Bi, mix in thin films, such as Cu with small spin orbital interaction, (nonpatent literature 1). However, in this technology, since rare metals are used, it is not easy to reduce the cost.

また最近では、酸素を不純物として添加することで金属中のスピン軌道相互作用の強さを増大させる技術も提案されている。しかし、酸素を不純物として金属薄膜に導入する場合、電子構造が絶縁体的になり、オーミックコンタクトを取ることが困難になり、工業応用上はスピンデバイスへの適用が容易ではない。これに対し、窒素を添加した金属は、電子構造が半導体的となり(非特許文献2参照)、オーミックコンタクトを取ることは比較的容易であり、スピンデバイスへの適用が容易である。   Recently, a technique has also been proposed which increases the strength of spin-orbit interaction in metals by adding oxygen as an impurity. However, when oxygen is introduced as an impurity into the metal thin film, the electronic structure becomes insulator, which makes it difficult to take ohmic contact, and in industrial application, it is not easy to apply to a spin device. On the other hand, in the metal added with nitrogen, the electronic structure becomes semiconductive (see Non-Patent Document 2), it is relatively easy to take ohmic contact, and application to a spin device is easy.

次に、窒素を添加したCuを実際に作製した結果について説明する。よく知られた反応性RFマグネトロンスパッタリング装置を用い、Cuをターゲットとし、窒素とアルゴンを0.5Paの圧力で、分圧比を変えて反応性スパッタリングを行い、窒素を添加したCu(窒化銅)の薄膜を作製した。窒化銅薄膜の形成条件を、以下の表1に示す。なお、表中のsccmは、流量の単位であり、0℃・1013hPaの流体が1分間に1cm3流れることを示す。また、窒素流量0.7〜3sccmとしたより詳細な条件は、窒素分圧が0.032Pa、0.045Pa、0.065Pa、0.083Pa、0.1Paである。 Next, results of actually producing Cu to which nitrogen is added will be described. Reactive sputtering is performed using a well-known reactive RF magnetron sputtering apparatus, targeting Cu, nitrogen and argon at a pressure of 0.5 Pa, changing the partial pressure ratio, and adding nitrogen-added Cu (copper nitride) A thin film was prepared. The conditions for forming the copper nitride thin film are shown in Table 1 below. In the table, “sccm” is a unit of flow rate, and indicates that a fluid of 0 ° C. · 1013 hPa flows 1 cm 3 per minute. Further, more detailed conditions in which the nitrogen flow rate is 0.7 to 3 sccm are nitrogen partial pressures of 0.032 Pa, 0.045 Pa, 0.065 Pa, 0.083 Pa, and 0.1 Pa.

次に、作製した窒化銅薄膜を、公知のフォトリソグラフィ技術で形成したマスクパタンを用い、アルゴンイオンミリングによってパターニングすることで、長さ300μm,太さ10μmのホールバー素子を作製した(図1参照)。上述した窒素分圧毎に、5種類のホールバー素子のサンプルを作製した。   Next, the manufactured copper nitride thin film was patterned by argon ion milling using a mask pattern formed by a known photolithography technique to manufacture a Hall bar element 300 μm in length and 10 μm in thickness (see FIG. 1). ). Samples of five types of Hall bar elements were manufactured for each of the nitrogen partial pressures described above.

作製したホールバー素子を用い、磁気輸送特性からスピン軌道相互作用の強さを評価した。上記ホールバー素子を、4Heクライオスタット内で温度2Kとした状態で、磁気電導度測定およびホール測定を行った。2Kにおける比抵抗は、図2に示すように、成膜時の窒素分圧に対して指数関数的に上昇する挙動を示す。 The strength of the spin-orbit interaction was evaluated from the magnetotransport properties using the produced Hall bar element. The magnetic conductivity measurement and the hole measurement were performed in a state where the temperature of the above-mentioned Hall bar element was 2 K in a 4 He cryostat. The resistivity at 2 K exhibits a behavior which exponentially increases with the nitrogen partial pressure at the time of film formation, as shown in FIG.

スピン軌道相互作用の強さの評価では、銅薄膜および窒化銅薄膜の弱局在、弱反局在現象に着目した。弱局在現象は、零磁場の磁気電導度に対して面直磁場を印加した際に、正の磁気電導度を示すような場合を指し、スピン軌道相互作用が弱い場合に観測される。一方、弱反局在現象は、零磁場の磁気電導度に対して面直磁場を印加した際に負の磁気電導度を示すような場合を指す。弱反局在現象では磁気電導度が極値を取るような磁場の値がスピン軌道相互作用の強さに比例しているため、この磁場の値を読み取ることで、測定されたデータから定性的にスピン軌道相互作用の強さの変化を知ることが可能である。   In the evaluation of the strength of spin-orbit interaction, we focused on weakly localized and weakly delocalized phenomena of copper thin film and copper nitride thin film. The weak localization phenomenon refers to the case where a positive magnetic conductivity is exhibited when a plane direct magnetic field is applied to the magnetic conductivity of the zero magnetic field, and is observed when the spin-orbit interaction is weak. On the other hand, the weak delocalization phenomenon refers to a case where a negative magnetic conductivity is exhibited when a plane direct magnetic field is applied to the magnetic conductivity of the zero magnetic field. In the weak delocalization phenomenon, the value of the magnetic field where the magnetic conductivity takes an extreme value is proportional to the strength of the spin-orbit interaction. It is possible to know the change in the strength of spin-orbit interaction.

面直磁場に対する磁気電導度の変化に対して理論式(非特許文献3参照)をフィッティングすることにより、スピン緩和長をフィッティングパラメータとして得ることができる。スピン緩和長とは、初めに揃っていた多数の電子スピンの向きが、ばらばらになるまでの伝搬距離であり、スピン軌道相互作用の強さに反比例している。従って、スピン緩和長を用いてスピン軌道相互作用の強さを定量的に議論することが可能である。   The spin relaxation length can be obtained as a fitting parameter by fitting the theoretical formula (see Non-Patent Document 3) to the change in magnetic conductivity with respect to the in-plane magnetic field. The spin relaxation length is the propagation distance until the direction of a large number of electron spins aligned at the beginning becomes apart, and is inversely proportional to the strength of the spin-orbit interaction. Therefore, it is possible to quantitatively discuss the strength of the spin-orbit interaction using the spin relaxation length.

図3に示すように、磁気電導度の面直磁場に対する依存性より、銅薄膜では弱局在現象が観測されたのに対し、窒化銅薄膜では弱反局在現象が観測された。また、磁気電導度が極値を取る磁場の値は、窒素分圧に対して系統的に大きくなった。このことから、銅薄膜に対する窒素添加により、スピン軌道相互作用の強さが増大することが定性的に明らかとなった。   As shown in FIG. 3, from the dependence of the magnetic conductivity on the in-plane magnetic field, a weak localization phenomenon was observed in the copper thin film, whereas a weak delocalization phenomenon was observed in the copper nitride thin film. Also, the value of the magnetic field at which the magnetic conductivity takes an extreme value systematically increased with respect to the nitrogen partial pressure. From this, it is qualitatively clarified that the addition of nitrogen to the copper thin film increases the strength of the spin-orbit interaction.

また、上述した成膜時の窒素分圧により、スピン軌道相互作用の強さが制御可能であることが分かる。理論式によるフィッティングで得られた窒化銅薄膜のスピン緩和長は、図4に示すように、窒素分圧に対して線形に減少しており、銅薄膜の場合と比較するとスピン緩和長の値は1/10以下となることが明らかとなった。この値は、スピン軌道相互作用の強い白金やビスマスのものと同程度の値となっており、窒化銅はこれらの材料系と代替可能であると考えられる。   In addition, it can be seen that the strength of the spin-orbit interaction can be controlled by the nitrogen partial pressure at the time of film formation described above. As shown in FIG. 4, the spin relaxation length of the copper nitride thin film obtained by the theoretical equation fitting decreases linearly with the nitrogen partial pressure, and the value of the spin relaxation length is smaller than that of the copper thin film. It became clear that it became 1/10 or less. This value is comparable to that of platinum and bismuth having strong spin-orbit interaction, and copper nitride is considered to be a substitute for these material systems.

次に、本発明の実施の形態におけるスピンデバイスについて説明する。本発明におけるスピンデバイスは、前述したように窒素を添加した金属からなる金属材料層から構成したことを特徴とする。   Next, the spin device in the embodiment of the present invention will be described. The spin device in the present invention is characterized by being composed of a metal material layer made of a metal to which nitrogen is added as described above.

例えば、スピンデバイスは、図5に示すスピン注入磁気メモリである。このスピン注入磁気メモリは、まず、スピン注入層(窒素を添加した金属材料層)101と、スピン注入層101の上に形成された強磁性体からなる自由層102とを備える。また、このスピン注入磁気メモリは、自由層102の上に形成されたトンネルバリア層103と、トンネルバリア層103の上に形成された強磁性体からなる固定層104とを備える。固定層104の上には、上部電極105が形成されている。実施の形態では、スピン注入層101を、窒素を添加した金属からなる金属材料層から構成する。金属は、銅である。   For example, the spin device is a spin injection magnetic memory shown in FIG. The spin injection magnetic memory includes a spin injection layer (a metal material layer to which nitrogen is added) 101 and a free layer 102 made of a ferromagnetic material formed on the spin injection layer 101. The spin injection magnetic memory further includes a tunnel barrier layer 103 formed on the free layer 102 and a fixed layer 104 formed of a ferromagnetic material formed on the tunnel barrier layer 103. An upper electrode 105 is formed on the fixed layer 104. In the embodiment, the spin injection layer 101 is formed of a metal material layer made of a metal to which nitrogen is added. The metal is copper.

スピン注入磁気メモリは、スピン注入層101に電流を流すことによって、上向きスピンの電子111と下向きスピンの電子112の流れに差を発生させることでスピン注入層101の上方へのスピン流を発生させ、自由層102における磁化方向を反転させることで書き換えを行う。なお、固定層104の磁化方向は固定されている。自由層102と固定層104とで磁化の向きが揃っていると、積層方向の電気抵抗の値が低く、磁化の向きが反対の場合は電気抵抗が高い。この抵抗値の違いが、記憶データの違いとなる。スピン注入層101を下部電極とし、上部電極105との間の抵抗値の差として、データの読み出しができる。   The spin injection magnetic memory generates a spin current above the spin injection layer 101 by generating a difference between the flow of electrons 111 in the upward spin and electrons 112 in the downward spin by flowing a current through the spin injection layer 101. Rewriting is performed by reversing the magnetization direction in the free layer 102. The magnetization direction of the fixed layer 104 is fixed. When the direction of magnetization is the same between the free layer 102 and the fixed layer 104, the value of the electrical resistance in the stacking direction is low, and when the directions of magnetization are opposite, the electrical resistance is high. The difference in resistance value is the difference in stored data. Data can be read as the difference in resistance value between the spin injection layer 101 and the upper electrode 105 as the lower electrode.

スピン注入層は、スピン軌道相互作用が強い材料から構成することが重要であり、一般には、白金やタンタルなどの重元素が用いられている。これに対し、実施の形態では、窒化銅からスピン注入層101を構成するので、スピン注入磁気メモリが、より安価に作製可能となる。   It is important that the spin injection layer is made of a material having strong spin-orbit interaction, and generally, heavy elements such as platinum and tantalum are used. On the other hand, in the embodiment, since the spin injection layer 101 is formed of copper nitride, the spin injection magnetic memory can be manufactured more inexpensively.

以上に説明したように、本発明によれば、銅などの非磁性金属に窒素を添加して用いるようにしたので、より低コストでスピンデバイスが実用化できるようになる。例えば、同様の用途に白金薄膜を用いた場合と、窒素添加した銅薄膜を用いた場合とでは、コストを1/10〜1/100に抑えることができる。これにより、スピンデバイスの実用化、量産化をより現実的なものにすることが可能である。   As described above, according to the present invention, since nitrogen is added to a nonmagnetic metal such as copper and used, a spin device can be put to practical use at lower cost. For example, the cost can be suppressed to 1/10 to 1/100 in the case where a platinum thin film is used for the same purpose and in the case where a nitrogen-added copper thin film is used. As a result, it is possible to make practicalization and mass production of spin devices more realistic.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、反応性スパッタ法により、窒素を添加したCuの層を形成する場合を例に説明したが、これに限るものではなく、めっき法やスパッタ法などにより形成したCuを、窒素雰囲気に配置することで窒素を添加するようにしてもよい。   The present invention is not limited to the embodiments described above, and many modifications and combinations can be made by those skilled in the art within the technical concept of the present invention. It is clear. For example, although the case where the layer of Cu to which nitrogen is added is formed by the reactive sputtering method has been described above as an example, the present invention is not limited thereto, and Cu formed by the plating method or sputtering method is Nitrogen may be added by disposing the

101…スピン注入層、102…自由層、103…トンネルバリア層、104…固定層、105…上部電極、111…上向きスピンの電子、112…下向きスピンの電子。   101 ... spin injection layer, 102 ... free layer, 103 ... tunnel barrier layer, 104 ... fixed layer, 105 ... top electrode, 111 ... electron of upward spin, 112 ... electron of downward spin.

Claims (5)

金属からなる金属材料層に窒素を添加して前記金属材料層のスピン軌道相互作用を増大させることを特徴とするスピン軌道相互作用の増大方法。   A method of enhancing spin-orbit interaction, comprising adding nitrogen to a metal-material layer made of metal to increase spin-orbit interaction of the metal-material layer. 請求項1記載のスピン軌道相互作用の増大方法において、
前記金属はCuであることを特徴とするスピン軌道相互作用の増大方法。
In the method of increasing spin-orbit interaction according to claim 1,
The method for increasing spin-orbit interaction, wherein the metal is Cu.
窒素を添加した金属からなる金属材料層から構成したことを特徴とするスピンデバイス。   A spin device comprising a metal material layer made of a metal to which nitrogen is added. 請求項3記載のスピンデバイスにおいて、
前記スピンデバイスは、スピン注入磁気メモリであり、
前記金属材料層からなるスピン注入層と、
前記スピン注入層の上に形成された強磁性体からなる自由層と、
前記自由層の上に形成されたトンネルバリア層と、
前記トンネルバリア層の上に形成された強磁性体からなる固定層と、
前記固定層の上に形成された上部電極と
を備えることを特徴とするスピンデバイス。
In the spin device according to claim 3,
The spin device is a spin injection magnetic memory,
A spin injection layer comprising the metal material layer;
A free layer of ferromagnetic material formed on the spin injection layer;
A tunnel barrier layer formed on the free layer;
A fixed layer of ferromagnetic material formed on the tunnel barrier layer;
An upper electrode formed on the fixed layer.
請求項3または4記載のスピンデバイスにおいて、
前記金属はCuであることを特徴とするスピンデバイス。
The spin device according to claim 3 or 4
The spin device characterized in that the metal is Cu.
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