3次元積層技術により多結晶電極上へ単結晶巨大磁気抵抗デバイス作製に成功

~高性能ハーフメタルホイスラー磁気抵抗素子の実用展開へ道筋を示す~

2020.05.28

国立研究開発法人 物質・材料研究機構 (NIMS)
国立研究開発法人 産業技術総合研究所 (産総研)

NIMSは産総研と共同で、産業上実用性の高いシリコン基板上に、優れた磁気抵抗特性を示す単結晶ホイスラー合金巨大磁気抵抗素子を作製することに成功しました。さらにウエハー接合技術を用いることにより、多結晶電極上への単結晶磁気抵抗素子膜の接合が可能であることを世界で初めて示しました。

概要

  1. NIMSは産総研と共同で、産業上実用性の高いシリコン基板上に、優れた磁気抵抗特性を示す単結晶ホイスラー合金巨大磁気抵抗素子を作製することに成功しました。さらにウエハー接合技術を用いることにより、多結晶電極上への単結晶磁気抵抗素子膜の接合が可能であることを世界で初めて示しました。本成果は、従来は非実用的であった高性能単結晶素子の実用展開への新たな道筋を示したものであり、ハードディスクドライブ(HDD)の大容量化などへ寄与することが期待されます。
  2. Co2MnSiなどのホイスラー合金の一部は、原子が規則正しく並んだ状態 (規則化状態) では、伝導電子が一方向のスピンしか持たない「ハーフメタル」となることが知られています。従来の研究で、ハーフメタルホイスラー合金を用いた高品位の全単結晶構造の巨大磁気抵抗素子が作製され、現行のHDDの5倍近くもの記録密度を持つ高記録密度HDD用再生ヘッドに必要とされる極めて大きな磁気抵抗比を示すことが報告されています。しかし、その作製には、結晶格子の整合性がよく耐熱性の高い単結晶酸化マグネシウム(MgO)基板を用いる必要があり、工業生産されるMgO基板のサイズが小さくコストが高いことが実用化を阻んでいました。それに加え、HDD用の再生ヘッドは、多結晶構造を持つ磁気シールド電極膜上に作製しなければなりませんが、単結晶素子を格子方向がバラバラな多結晶上に直接成長させることは不可能です。また磁気シールドは熱に弱く、熱処理温度を300℃以下にする必要があるため、ホイスラー合金の規則化に必要な高温熱処理が行えないなど、単結晶ホイスラー合金巨大磁気抵抗素子の実用化にはさまざまな障壁がありました。
  3. 本研究チームは、安価で実用性の高いシリコン基板上にNiAl/CoFe下地層を用いることで、極めて高い耐熱性と平坦性が得られることを発見し、MgO基板上に成長させた素子と同等の性能を示す単結晶ホイスラー合金巨大磁気抵抗素子を、シリコン基板上に作製することに成功しました。さらに、近年開発が進む3次元積層技術を用いることで、別の基板上に成長させた多結晶電極膜上に、作製した単結晶ホイスラー巨大磁気抵抗素子膜をウエハー接合させることに成功しました。ウエハー接合の条件を最適化することで、極めて平坦かつ欠陥のない多結晶/単結晶接合界面が実現され、接合後も接合前と同等の高い磁気抵抗性能が得られることを実証しました。本手法を用いれば、多結晶電極膜上に単結晶磁気抵抗素子を直接成長させる必要がなく、高温の熱処理によって生じる問題も完全に解決されます。
  4. 本成果によって示された手法は、単結晶ホイスラー合金巨大磁気抵抗素子のみならず、同様に高い性能を示すことで知られる単結晶構造のトンネル磁気抵抗素子などを、耐熱性の低い集積回路上に積層することなどに汎用的に用いることができます。高い性能を誇る単結晶スピントロニクス素子に実用への道を拓き、HDDや磁気ランダムアクセスメモリーの大容量化などに貢献することが期待されます。
  5. 本研究は、物質・材料研究機構 磁性・スピントロニクス材料研究拠点 桜庭裕弥 グループリーダーらと、産業技術総合研究所 スピントロニクス研究センター 薬師寺啓 研究チーム長、デバイス技術研究部門 高木秀樹 総括研究主幹、菊地克弥 研究グループ長の共同研究チームによって行われました。また本研究は、革新的研究開発推進プログラムImPACT「無充電で長時間使用できる究極のエコIT機器の実現」(PM 佐橋政司)の一環として行われました。本研究成果は、Acta Materialia誌にて協定世界時2020年5月28日午前9時 (日本時間28日午後6時) にオンライン掲載されます。
「プレスリリース中の図5 : 直接ウエハー接合後の断面透過顕微鏡像(左)と接合後の磁気抵抗測定の結果(右)」の画像

プレスリリース中の図5 :
直接ウエハー接合後の断面透過顕微鏡像(左)と接合後の磁気抵抗測定の結果(右)

特記事項 (掲載論文)

題目 : Fully Epitaxial Giant Magnetoresistive Devices with Half-metallic Heusler Alloy Fabricated on Poly-Crystalline Electrode Using Three-Dimensional Integration Technology
著者 : Jiamin Chen, Yuya Sakuraba, Kay Yakushiji, Yuichi Kurashima, Naoya Watanabe, Jun Liu, Songtian Li, Akio Fukushima, Hideki Takagi, Katsuya Kikuchi, Shinji Yuasa, and Kazuhiro Hono
雑誌 : Acta Materialia
掲載日時 : 協定世界時2020年5月28日午前9時 (日本時間28日午後6時)
DOI : 10.1016/j.actamat.2020.04.002

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(研究内容に関すること)

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磁性・スピントロニクス材料研究拠点 磁性材料グループ
グループリーダー
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TEL: 029-859-2708
E-Mail: SAKURABA.Yuya=nims.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
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スピントロニクス研究センター　金属スピントロニクスチーム
研究チーム長
薬師寺啓 (やくしじけい)
TEL: 029-861-3251
E-Mail: k-yakushiji=aist.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
デバイス技術研究部門
総括研究主幹
高木秀樹 (たかぎひでき)
TEL: 029-861-7217
E-Mail: takagi.hideki=aist.go.jp
([ = ] を [ @ ] にしてください)
国立研究開発法人 産業技術総合研究所
デバイス技術研究部門 3D集積システムグループ
研究グループ長
菊地克弥 (きくちかつや)
TEL: 029-861-3454
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