【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.30】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24AT0159
利用課題名 / Title
スピン軌道トルクを用いた磁化制御に関する研究
利用した実施機関 / Support Institute
産業技術総合研究所 / AIST
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed
キーワード / Keywords
不揮発性メモリ, MRAM, スピン軌道トルク, 磁気トンネル接合素子, スピンホール発振素子,電子線リソグラフィ/ EB lithography,スピン制御/ Spin control,スピントロニクス/ Spintronics,スピントロニクスデバイス/ Spintronics device
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
日比野 有岐
所属名 / Affiliation
産業技術総合研究所
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
佐藤 平道,木塚 優子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
スピン軌道トルクを用いた磁気ランダムアクセスメモリ(SOT-MRAM)の実用化を目指すためには、書き込み動作の駆動源となるスピンホール材料の開発が重要な要素となる[1,2]。利用者は、アモルファス状態のW-Ta-B合金を用いることで高い熱処理耐性とメモリ書き込みの省電力動作に直結する巨大なスピンホール効果を両立したスピンホール材料の開発をした。本研究では、このW-Ta-B合金をスピンホール材料として搭載したSOT-MRAM素子の試作を行いメモリ特性の評価を行った。また、同素子は直流電流を印加することでGHzオーダーの磁化の歳差運動を誘起することができる[3]。これをもとにマイクロ波発振動作の検証を行った。
実験 / Experimental
電子線描画装置を用いて、SOT-MRAMのメモリセルに相当する50x200nmから100x400nm程度のサイズを有するSOT-MRAM素子を作製した (図1)。試作では熱酸化膜付きSi基板(20mm□)上に成膜した以下2種類の磁気トンネル接合薄膜を用いた(括弧内はnm単位の膜厚)：・ W-Ta-B (8) / Co-Fe-B (1.8) / MgO / Co-Fe-B (2) / W (0.15) / Co-Fe (2) / Ru (0.85) / Co-Fe (2.4) / Ir-Mn (7) / Ru (3) /Ta (1) / Ru (1.5) / Pt (2)試作したSOT-MRAM素子は下部スピンホールチャネルに電流パルスを印加することで書き込み動作を、磁気トンネル接合に電圧および微小電流を印加し、磁気抵抗を測定することで書き込み特性を評価した(図2)。また、一定の磁界下で下部スピンホールチャネルに直流電流を流すことで記録層Co-Fe-Bの歳差運動を生じさせることでマイクロ波発振器としての機能することができる。そこで、同素子における発振特性を評価した。
結果と考察 / Results and Discussion
試作したSOT-MRAM素子の書き込み電流密度のパルス幅依存性を図3に示す。100ナノ秒までの書き込み動作を確認でき、書き込み電流密度は3x1010 A/cm2程度とこれまでのSOT-MRAM素子に対して省電力書き込み動作が可能であることが判明した。これは本スピンホール材料の巨大スピンホール効果によるものである。より低電力動作を検証するために、下部スピンホールチャネルを300nm程度まで微細化した結果、素子に電流リークが生じ書き込み性能評価までには至らなかった。下部スピンホールチャネルの微細化にはチャネルの設計およびサイドウォールにおける金属膜のリデポ処理等のプロセスの再検討が必要であることが判明した。上記で用いたSOT-MRAM素子の発振特性を評価したところ、斜め磁界下において面外発振モードが発現することを確認した(図4)。SOT-MRAM素子の磁気トンネル接合素子側からバイアス電圧を印加することで、発振周波数・出力強度・Q値が変化することが判明した。発振特性の電圧制御は磁気異方性の電圧制御によるものと考えており、現在詳細な起源を調査中である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1: (a)SOT-MRAM素子の概念図 (b)作製したSOt-MRAM素子の光学像
図2:SOT-MRAM素子の磁気抵抗曲線(左)および書き込み動作実験の一例(右)。
図3:書き込み閾値電流密度のパルス幅依存性
図4:SOT-MRAM素子における発振スペクトルの一例。MTJ上部への電圧(VMTJ)によって、発振周波数およびスペクトル強度の変調が見える。
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
参考文献：
[1] L. Liu et.al, Science 336, 555-558 (2012).
[2] Y. Hibino et.al, Adv. Elec. Mater. 10, 2300581 (2024).
[3] L. Liu et.al, Phys. Rev. Lett. 109, 186602 (2012).
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
-
Y. Hibino, Observation of self-induced spin-orbit torques in Ni-Fe layers with a vertical gradient of magnetization, Physical Review B, 109, (2024).
DOI: doi/10.1103/PhysRevB.109.L180409
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
- Y. Hibino, T. Yamamoto, T. Taniguchi, K. Yakushiji, H. Kubota, and S. Yuasa, "Efficient spin-orbit torque magnetization switching using amorphous W-Ta-B Alloy with high thermal tolerance" (イタリア、ボローニャ), ICM 2024, 令和6年6月30-7月5日
- Y. Hibino, T. Yamamoto, T. Taniguchi, K. Yakushiji, H. Kubota, and S. Yuasa, "Energy-Efficient SOT-MRAM writing operation using amorphous W-Ta-B as spin Hall material" (イタリア、ペルージャ), ICMFS2024, 令和6年7月7日ー7月12日
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件