JP2018181975A - スピン軌道相互作用の増大方法およびスピンデバイス - Google Patents

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。

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。

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. 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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。

以下、本発明の実施の形態について説明する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims (5)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。