磁気トンネル接合素子、未踏の一桁ナノメートル領域で動作実現

2018-02-14
東北大学 電気通信研究所（総務係）
東北大学 省エネルギー・スピントロニクス集積化システムセンター（支援室）
東北大学 国際集積エレクトロニクス研究開発センター（支援室）
東北大学 スピントロニクス学術連携研究教育センター（電気通信研究所 研究協力係）
東北大学 材料科学高等研究所（ＡＩＭＲ）（広報・アウトリーチオフィス）
文部科学省　研究振興局参事官（情報担当）付
内閣府　政策統括官（科学技術・イノベーション担当）
科学技術振興機構（ＪＳＴ）

ポイント

• 最小直径３．８ナノメートルまでの極微細高性能磁気トンネル接合素子を開発。
• 形状磁気異方性の利用により一桁ナノメートル台においても応用に求められる主要特性を達成。
• 超大容量低消費電力メモリ・集積回路の実現に道筋、ＩｏＴ技術の発展に貢献。

＜ＯＰＥＲＡ　遠藤 哲郎　領域統括のコメント＞

本成果は、産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム（ＯＰＥＲＡ）「世界の知を呼び込むＩＴ・輸送システム融合型エレクトロニクス技術の創出」（幹事機関：国立大学法人 東北大学、領域統括：東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センター　センター長　遠藤 哲郎　教授）において取り組んでいる次世代スピントロニクスデバイス研究チームでの微細磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子に関する最新の研究成果です。ＭＴＪ素子は、現在の集積回路における消費電力課題を解決できる技術として産業界で注目されており、ＩｍＰＡＣＴプロジェクト（大野社会実装分科会）でも３Ｘｎｍ世代ＭＴＪ素子を活用した超低消費電力不揮発性マイコンの開発を進めています。しかし、不揮発性性能とデータ書き換え性能のトレードオフのために、２０ｎｍ以下への微細化が困難という大きな課題がありました。本研究は、これまで有効に活用されてこなかった形状磁気異方性という性質を積極活用した新方式ＭＴＪ素子を提案し、シリコンテクノロジーと同世代までの微細化が可能なＭＴＪ素子を世界で初めて実証したものであり、学術的にも産業的にも非常に高いインパクトを有する成果です。本ＯＰＥＲＡプロジェクトでは、引き続き本技術の更なる高度化を図り、超高集積・超低電力・高耐環境性能を有するＳＴＴ－ＭＲＡＭのみならず、人工知能システムや自動運行システムのキーデバイスとなる超低消費電力インテリジェントＡＩチップ等への応用展開を目指していきます。

＜ＩｍＰＡＣＴ　佐橋 政司　プログラム・マネージャーのコメント＞

＜研究の背景と経緯＞

電子の持つ電気と磁気の２つの性質を利用する「スピントロニクス」の原理を用いると、磁石に電流を流すことでその極性（Ｎ極／Ｓ極）を検出でき、また切り換えることもできます。このような研究は２０００年頃から世界中で徐々に活発化し、２０１８年にはいよいよこの原理を利用した不揮発性磁気メモリ（ＳＴＴ－ＭＲＡＭ）注１）の本格的量産化が開始される見通しとなっています。現在電子機器で用いられているメモリはプロセッサの近くで高速・高頻度に動作するワーキングメモリと、写真や音楽などの大容量データの保存に用いられるストレージメモリに大別されます。ストレージメモリは電源を切っても情報を保持する不揮発性を有するのに対して、現在用いられているワーキングメモリは情報を保持するためには電源を維持し続ける必要があり、この揮発性による待機時消費電力が半導体集積回路技術の懸案となっています。加えて現在のワーキングメモリでは構成素子の微細化の物理限界、製造限界も深刻な課題となっています。ＳＴＴ－ＭＲＡＭは現在開発が行われている不揮発性メモリの中で唯一、動作速度や繰り返し動作耐性において現行のワーキングメモリと同等の高い性能を達成できる性質を有していることから、既存の揮発性ワーキングメモリの置き換えにより超低消費電力集積回路が実現でき、これによって情報処理通信・ＩｏＴ注２）技術を大きく発展させられることが期待されます。

今後、ＳＴＴ－ＭＲＡＭの大容量化と高性能化を進めていくためには、ＳＴＴ－ＭＲＡＭの主要構成要素であり情報の記憶を司る磁気トンネル接合素子を持続的に微細化していく必要があります。ここで課題となるのが、情報の忘れにくさ（熱安定性）と書き換えやすさ（電流誘起磁化反転）の両立です。一般に素子のサイズが小さくなるにつれて情報を忘れやすくなり、それに打ち勝つために材料を工夫すると、今度は電流での磁化反転が困難になるというジレンマが存在します。上述の通りＳＴＴ－ＭＲＡＭは実用化が間近の段階ですが、この決め手となったのは２０１０年に東北大学の同グループが開発した「界面磁気異方性」を利用したＣｏＦｅＢ／ＭｇＯ磁気トンネル接合です。この材料系は現在世界中のＳＴＴ－ＭＲＡＭの研究開発で用いられていますが、サイズが２０ナノメートルよりも小さくなると、このジレンマが顕在化することが分かっており、抜本的に新しいアプローチが求められていました。

＜研究の内容＞

今回、研究グループはこれまで有効に活用されてこなかった「形状磁気異方性」に着目し、２０ナノメートル以下の世代においても技術的な要件を満足する磁気トンネル接合素子の開発に取り組みました。形状磁気異方性とは磁石の形状に応じて磁化（Ｎ／Ｓ）の向きやすい方向（容易軸）が決まる性質であり、例えば棒磁石であればその長手方向が容易軸となります。磁気トンネル接合素子においては膜面垂直方向が磁化容易軸の場合に、高い熱安定性と低電流での磁化反転を両立させやすいことが知られており、従って形状磁気異方性を磁気トンネル接合に利用する場合には、縦長の構造［図１（ａ）］を形成する必要があります。これはこれまでの界面磁気異方性を利用する磁気トンネル接合［図１（ｂ）］とは真逆のアプローチです。モデル計算から形状磁気異方性を用いることで界面磁気異方性では難しかった１０ナノメートル以下の領域においても高い熱安定性と電流誘起磁化反転を両立できる可能性があることが分かりました。

モデル計算に基づいて素子設計範囲を具体化し、実際に極微細磁気トンネル接合素子をシリコン基板上に作製しました。情報の記憶を担う記録層には、磁気的な摩擦が小さく低電流での磁化反転が期待されるＦｅＢ（鉄ボロン）合金を用い、トンネルバリアには抵抗面積積が低くなるように設計されたＭｇＯ（酸化マグネシウム）を用いました。東北大学 電気通信研究所附属ナノ・スピン実験施設にて微細加工プロセスを精密にコントロールし、最小で直径３．８ナノメートルまでの磁気トンネル接合素子を形成することに成功しました。これまで報告されている磁気トンネル接合素子は最小でも１１ナノメートル程度であり、それらと比べて群を抜いて小さいサイズです。

作製した素子の熱安定性指数注３）を評価したところ、多くのアプリケーションにおける仕様を満足しうる８０以上の値が一桁ナノメートル台（１０ナノメートル以下）においても確認されました。これは従来の界面磁気異方性を利用した磁気トンネル接合では達成できなかった値です［図２］。続いて、作製した素子に電流を導入し、磁化反転を評価しました。図３に示された通り、最小で８．８ナノメートルの素子においても電流によって高抵抗状態と低抵抗状態の間での切り換えができており、電流誘起磁化反転が実現されていることが分かります。

＜今後の展開＞

形状磁気異方性は材料に依存しない普遍的な性質であることから、さまざまな材料系の中から目的に適うものを選択できます。従って、想定されるアプリケーションに応じて、必要となるデータ保持特性、動作電力、動作保証温度範囲などを達成できるような材料を開発して適用することで、さまざまな用途で目的に見合った磁気トンネル接合素子を実現できると考えられます。

半導体メモリ・集積回路のテクノロジーノードは年々微細化が進んでおり、最近ではその極限となる数ナノメートル世代も視界に捉えた開発が行われています。今回の形状磁気異方性を利用した磁気トンネル接合はこのような極限の世代にも適用が可能です。現行の典型的なワーキングメモリの容量は最大で数ギガビット程度ですが、今後今回提案したコンセプトのもとで材料・素子・集積化技術の開発を更に発展させていくことで、現在の１００倍となる１００ギガビット以上の容量を持つようなワーキングメモリも実現できるものと期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）ＳＴＴ－ＭＲＡＭ

Ｓｐｉｎ－Ｔｒａｎｓｆｅｒ－Ｔｏｒｑｕｅ　Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ（スピン移行トルク磁気抵抗ランダムアクセスメモリ）の略。参照層、トンネルバリア、記録層からなる磁気トンネル接合素子を貫通する方向に電流を流したとき、記録層の磁化に作用するトルクによって磁化を反転させる（スピン移行トルク磁化反転）ことで情報の書き込みを行い、同じく磁気トンネル接合に弱い電流を流したときに記録層と参照層の磁化の相対角に応じて抵抗に差の生じるトンネル磁気抵抗効果を用いて情報の読み出しを行う。

注２）ＩｏＴ

Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｔｈｉｎｇｓ（モノのインターネット）の略。パソコンやスマートフォンだけでなく、自動車、交通網、家電、人感センサー、ロボット、介護機器、などさまざまなものをインターネットに接続させることで、これまでとは異なる価値、機能を創出する技術。

注３）熱安定性指数

磁化が反転する際に超えるエネルギー障壁高さ（Ｅ）と熱擾乱エネルギー（ｋＢＴ）の比（Ｅ／ｋＢＴ）。ｋＢはボルツマン定数、Ｔは絶対温度。熱安定性指数が大きいほど熱擾乱による磁化反転が起こりにくくなり、情報が安定して保持される。熱安定性指数が４０のとき、単一の磁性素子が室温で約１０年間情報を安定して保持できることが熱統計力学的計算から導かれる。メモリの容量、および使用される温度範囲によって熱安定性指数の必要値は増大し、一般には８０程度以上であれば多くのアプリケーションに対応できる。

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