3次元磁性素子作製に向けた原子層堆積技術の開発

2023年7月12日

3次元集積が進むLSIは、半導体のみならず多様な機能性材料を積層・加工することで作られています。HDD（Hard Disk Drive）などの磁気記録技術の基幹材料であり、近年、MRAM（Magnetic RAM）としてLSIへの導入が始まっている金属磁性材料についても3次元集積への適用が検討され始めています。一方で、従来の磁気記録素子とは異なり3次元化されたLSIの構造は複雑であるため、磁性材料の原子層堆積（ALD; atomic layer deposition）技術の開発が望まれます。そこで本研究では、代表的な磁性材料であるコバルト（Co）の白金（Pt）薄膜上へのALDを検討し、その磁気特性を評価しました。（図1）に示す手順によってPt表面で原料ガス分子（Co(PF₃)₄H）を反応させ、Co薄膜を成膜したところ、従来成膜技術である物理気相成長（PVD; physical vapor deposition）を用いた場合と同様に、膜面垂直方向に磁化が向く状態が安定となる磁気異方性を厚さ1nm程度のCo薄膜に付与することができました（図2）。

ALDは比較的低い反応温度（今回は300℃）で実現されますが、他方、原料ガス由来の不純物（リン）がCo中に残留し、磁気特性を劣化させる恐れがありました。この課題は、反応容器から余剰な原料ガスと反応副生成物を追い出すステップ（パージ）における不活性Arガスの圧力を調整して、不純物濃度を効果的に下げることにより解決しました（図3）。

さらに、純度を向上させたCo薄膜において磁壁（磁化がそろった領域（磁区）の境界）を電流印加によって動かすことに成功しました（図4）。この現象は3次元化が可能な磁気メモリ（レーストラックメモリ^[1]）の動作原理として広く研究が行われています。今回の成果は、ALD技術がそのような3次元磁性デバイスの作製に適用できる可能性を実証したものです。