次世代不揮発性磁気メモリーの新しい記録技術を開発

• 面内電流型磁気メモリーにおいて異常ホール効果を利用した新しい記録技術を実現
• 配線の一部に安価な鉄を基本とした磁石材料を用いることで高い記録効率が得られることを発見
• 記録書き換えのエラー低減を可能とする技術原理により高い信頼性を期待

国立研究開発法人 産業技術総合研究所【理事長 中鉢 良治】（以下「産総研」という）スピントロニクス研究センター【研究センター長 湯浅 新治】飯浜 賢志 日本学術振興会特別研究員、久保田 均 総括研究主幹、金属スピントロニクスチーム 谷口 知大 主任研究員、薬師寺 啓 研究チーム長は、配線材料に鉄を基本とする磁石材料を用いることで、高い信頼性を実現しうる次世代不揮発性磁気メモリーの新しい記録技術を提唱し、実際に素子を作製してその原理実証を行った。

産総研などは、近年、磁石材料の異常ホール効果と呼ばれる物理特性を利用することで、不揮発性磁気メモリーの記録書き換えエラーが低減しうることを提案してきた。今回、配線材料としてコバルト鉄合金の磁石材料、記録層としてニッケル鉄合金の磁石材料を用いた新構造の面内電流型磁気メモリー素子を作製し、記録技術の原理実証を行った。その結果、安価でありふれた鉄をベースとした材料の配線によるスピン注入効率が、白金などの既存材料の配線と同等に高効率であることを見出し、さらに記録書き換えのエラー低減を可能とする高い信頼性が得られることを示した。今回開発した新構造の素子や記録技術は、高信頼性と省エネ機能を併せ持った次世代不揮発性磁気メモリーの実現に繋がると期待される。

この成果の詳細は2018年2月8日(英国時間)にNature Electronicsにオンライン掲載された。

磁石の下部配線に電流を流すと上に置かれた記録層の情報を書き換えることができる

（左）今回作製した素子の模式図 （右）今回の成果から提案される不揮発性磁気メモリーの模式図

AIやIoTデバイスが活躍するこれからの社会では、IT機器の超低消費電力化がますます重要な課題となる。例えばモバイルIT機器ではCPUやメモリーの消費電力が全体の30～40%にも達し、頻繁に充電しなければならない要因となっている。この問題に対するアプローチの1つが、不揮発性メモリーの開発である。中でも磁気トンネル接合素子を用いた垂直電流型の不揮発性磁気メモリーは、不揮発性の他に、高速、大容量、高書き換え耐性などの特徴を持ち、新世代のユニバーサルメモリーとして注目を集めている。

また最近では図1（左）に示したような面内電流型の磁気メモリーの研究も活発になっている。このデバイスは記録層と呼ばれる磁石の磁化の向きで情報を記憶し、情報を書き換える時は記録層の下の非磁性材料を用いた配線に電流を流して、記録層の磁化を反転させる。記録層に直接電気を通さないため、垂直電流型より記録層の通電破壊の危険性が小さく、また、書き込みと読み出しの回路が分離されるので、メモリー機能を制御しやすい。これらの特徴により、超低消費電力が求められるIoTデバイスや、半導体メモリーを凌駕する超大容量メモリーなどへの応用が幅広く期待されている。

図1 (a) 従来の面内電流型素子と、(b) 今回提案する新構造の比較

産総研では、2004年に酸化マグネシウム（MgO）トンネル障壁層を持つ高性能トンネル磁気抵抗素子を発明して以来、この素子を大容量の垂直電流型・不揮発性磁気メモリーを実現するための中核技術として位置づけ、国内外をリードするデバイス開発を行ってきた。これらと並行して、2014年からアメリカ国立標準技術研究所、フランス国立科学研究センターとともに、面内電流型磁気メモリーの研究を行ってきた。そして、下部配線の一部を磁石材料に置き換えた場合には、情報書き換えが確実になって、記録信頼性が飛躍的に向上することを理論的に提唱してきた（図1右）。しかし、この理論の実証、すなわち磁石材料の配線を持つ新構造素子の作製や記録技術の原理実証は、これまで報告されていなかった。

今回産総研は、磁石材料の配線の面内電流型磁気メモリーを作製し、上記の原理実証として、情報記録の実証に取り組んだ。これまでの非磁性材料を用いた配線の面内電流型磁気メモリーでは、情報書き換えのためのスピンが記録層に注入されたとき、スピンの向きが横方向に固定されてしまうために、磁化は図1（左）のように横方向で止まってしまっていた。記録情報を正確に書き換えるためには、磁化の方向は記録層平面に対して垂直（図では上方向または下方向）でなければならず、横方向で止まった場合は不完全な記録（エラー）となってしまう。一方、産総研などが提案した磁石材料配線の面内電流型磁気メモリーでは、情報書き換えのためのスピンが記録層に注入されたとき、スピンの向きが横方向以外の成分をもつことから、記録層の磁化方向は完全に上または下方向に至り、確実な情報書き換えがもたらされる。このような横方向ではないスピンの向きが実現できるのは、磁石材料が異常ホール効果という物理特性を有するためである。このように、異常ホール効果を利用することで、これまでの面内電流型磁気メモリーの弱点であったスピン注入による情報書き込みの不完全さを無くすことができ、信頼性を向上させることができる。以上が2014年から産総研らが理論提唱してきた新技術の概要である。

今回その原理実証のために、図2（左）に示すような構造の素子を作製した。下部配線の磁石材料にコバルト鉄合金、磁気メモリーの記録層に相当する上部の磁石にニッケル鉄合金を用いた。また2つの磁石の磁気的な結合を除くため、その間に抵抗の小さな銅を挟んだ3層薄膜を作製した。薄膜に外部から磁界をかけると、ニッケル鉄合金とコバルト鉄合金の磁化はこの外部磁界の向きを向く。この状態で薄膜に交流電流を流すと交流磁界が発生し、記録層（ニッケル鉄合金）の磁化は交流磁界の後を追うように振動を始める。すると磁気抵抗効果によって素子の左端と右端の間に直流の電圧信号が現れる。この電圧信号と外部磁場の関係を図2（右）に示した。特に交流電流の周波数と外部磁界の大きさが共鳴現象の条件を満たすと電圧信号が大きくなる。

図2 今回作製した素子の模式図(左)と電圧信号の例(右)

交流磁界をかけて記録層（ニッケル鉄合金）を振動させた状態で配線（コバルト鉄合金）に直流電流を流すと、配線から磁気結合分離層（銅）を経て記録層にスピンが注入される。このとき、記録層の磁化が注入されたスピンの向きに揃おうとして磁化振動の大きさが変化する。観測データの上では、図2（右）に示したように、電圧信号の幅の変化が得られる。この幅の変化は注入されるスピンの量を反映しているため、電圧信号幅の変化からスピンの注入効率が評価できる。今回、電圧信号幅と電流・外部磁界との関係の測定から得られた、配線から記録層へのスピンの注入効率はおよそ15%であった。これは従来の非磁性材料を用いた素子と比べても遜色ない高い効率である。

2014年からの産総研らの理論提唱では、スピン注入効率まで予測することは難しかったが、この原理実証により、安価でありふれた鉄をベースとした配線からであっても、異常ホール効果によるスピン注入は充分に高効率であることを初めて明らかにした。

また図2（右）では直流電流により電圧信号幅が増えているが、直流電流を逆向きに流すと信号幅は狭くなっていた。これは直流電流を流す向きを逆にすると、注入されるスピンの向きが逆になること、すなわちこの素子では磁化を上向き・下向きどちらにも反転できることを示している。この性質は磁気メモリーへの応用に必須である。

今回、面内電流型磁気メモリーの配線としてコバルト鉄合金の磁石材料を用いた新しい素子を作製し、異常ホール効果を利用したスピン注入を実証した。この新たな素子は、従来の非磁性材料を用いた配線の面内電流型磁気メモリーと同等の、高いスピン注入効率による情報書き込み性能を示した。また、今回の磁石材料配線をもつ新構造は、従来の非磁性材料配線の弱点であった書き換え情報の不完全さを無くし、エラー低減による信頼性の飛躍的向上につながる可能性を備えている。配線材料選択の観点からも、安価でありふれた鉄（今回はコバルト鉄）が高性能化をもたらすことが明らかになったことで、今後の面内電流型磁気メモリーの材料戦略上に大きなインパクトを与えると考えられる。

今後は書き込み動作の実証に向けた磁化反転の検討を進める。消費電力の低減に向けた素子構造や材料の最適化にも取り組む。また、高周波発振素子などの新たな応用を目指したデバイス開発にも取り組む。

◆不揮発性磁気メモリー

磁石の薄膜を記憶素子に用いたメモリー。2枚の磁石で絶縁膜を挟んだ3層構造を基本素子とする。2つの磁石の磁化が同じ方向を向いている時には素子の抵抗が低く、磁化が互いに逆方向を向いている時は抵抗が高いという、磁気抵抗効果を利用して、「0」、「1」の情報を記録し、読み出している。メモリーを電源から切り離しても磁化の向きは変わらず、情報が保存される。この状態を「磁気メモリーは不揮発性である」という。

◆異常ホール効果

磁石に電流を流すと電流および磁石の磁化と直交する向きに電圧が発生する。これを異常ホール効果という。異常、という言葉は、通常のホール効果(非磁性金属に磁界を加えながら電流を流した時に、電流と磁界に直交する向きに電圧が現れる現象)と区別するため用いられる。異常ホール効果は19世紀末に発見された歴史の長い現象であるが、今回の研究では異常ホール効果によって電圧が生じるだけでなくスピンが注入されることに着目した。

◆スピン注入、スピン注入効率

電子は電気を担う電荷と呼ばれる特性の他に、小さな磁石としての特性を持つ。これをスピンと呼ぶ。従って金属に電流を流すと電荷だけでなくスピンも流れていることになる。これをスピン流と呼ぶ。このスピン流をある材料に注入することをスピン注入という。今回は異常ホール効果を利用したスピン注入を行った。なお、下部の配線に非磁性材料を用いる従来の素子でのスピン注入はスピン・ホール効果と呼ばれ、異常ホール効果と区別されている。
今回の検討では、コバルト鉄合金に流れる電流を担う電子のいくつかが異常ホール効果によってニッケル鉄合金に注入されている。スピン注入効率とは、コバルト鉄合金を流れる電流と異常ホール効果によって注入される、スピン流の比である。たとえば図3(右)では電流を左から右に流した時、4個の電子が右から左へ移動している(電流の向きと電子の流れる向きは逆である)。この4個の電子のうち、3個はまっすぐ進んでいるが、1個は上部の材料に注入されている。この場合、スピン注入効率は(1/4)×100 = 25%である。今回の検討では、コバルト鉄合金を流れる直流電流を変化させた時の電圧信号幅の変化の変化率から、スピン注入効率が評価される。

図3 スピンおよびスピン注入の概念図

◆垂直電流型、面内電流型

図1のように、厚みが1ナノメートル(100万分の1ミリメートル)程度の磁石を何枚も重ねた構造を積層膜という。積層膜の膜面に対して垂直方向(図1の縦方向)に電流を流して動作させるデバイスを垂直電流型磁気メモリーと呼ぶ。一方、横方向(膜面に平行)に電流を流して動作させるデバイスを面内電流型磁気メモリーという。歴史的には1980年代終わりにまず、面内電流型のデバイスで研究が行われていたが、垂直電流型のデバイスで大きな信号が得られることが分かり、研究の主流は垂直電流型に移っていった。しかし垂直電流型の素子はトンネル障壁層を含む記録部分に電圧をくわえるため、通電破壊が起こるなど、克服すべき課題が残されている。

◆磁気的な結合

コバルト鉄合金の上に直接ニッケル鉄合金をのせると、2つの磁石が接している面で磁化が結合して、一緒に動くことが起こる。これは磁石内部の電子を介して2つの磁化が向きを揃えようとしたり、逆向きにしようとしたりする相互作用が働くためである。このような結合が生じると、ニッケル鉄合金の共鳴を観測する際にコバルト鉄合金の磁化まで振動してしまい、観測結果が複雑になる。今回は銅を挟むことでこのような結合を無くし、スピン注入の現象がより明確に観測できるようにした。

◆磁気抵抗効果

磁石の電気抵抗が磁化の向きに依存する現象で、いくつかの種類がある。例えば、1個の磁石の電気抵抗が磁化の向きと電流が流れる方向の相対角度によって変化する磁気抵抗効果として、異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果と呼ばれる現象がある。今回の素子では、この異方性磁気抵抗効果を利用して電圧信号が得られている。
これらの他に、2つ以上の磁石を重ねた多層の構造において、一方の磁石の磁化方向が他方の磁石の磁化方向に対して平行な時と反平行な時で電気抵抗が変化する磁気抵抗効果もある。この多層の構造における磁気抵抗効果として、巨大磁気抵抗効果やトンネル磁気抵抗効果といった現象が知られており、1個の磁石の時の異常ホール効果、異方性磁気抵抗効果よりも抵抗変化率が高いことから、センサーやメモリーの応用に利用されている。[

◆共鳴現象

振り子に特定の振動数を持った力を加えると、力が弱くても大きな振動が起こる。これを共鳴現象と呼ぶ。磁石の場合も同じような現象が観測される。磁石に交流磁界を当てると、磁化は磁界の向きに揃おうとして振動する。この時、交流磁界の振動数がある特定の値になると、弱い磁界でも磁化の向きが大きく振動する。振動の周波数は典型的な材料でギガヘルツ(1秒間に10億回振動する)である。交流磁界は今回の実験のように交流電流から発生させる。実験によっては交流磁界の他に直流の磁界(外部磁界)をかけることがある。この場合、共鳴が起こる振動数は外部磁界に応じて変化する。外部磁界を使うのは、共鳴現象を探索する際、交流磁界の振動数を変えるよりも、外部磁界の大きさを変える方が実験的に容易である、などの理由による。