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

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超大容量・低消費電力・高性能不揮発性メモリの実現に道筋

平成30年2月14日

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。

東北大学 電気通信研究所の大野 英男 教授(兼 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長、国際集積エレクトロニクス研究開発センター教授、スピントロニクス学術連携研究教育センター長、材料科学高等研究所 主任研究者)、深見 俊輔 准教授、佐藤 英夫 准教授、陣内 佛霖 助教、渡部 杏太 博士後期課程学生(日本学術振興会 特別研究員)は、超低消費電力高性能ワーキングメモリとしての実用化が期待されるSTT-MRAMの主要構成要素である磁気トンネル接合素子の新しい方式を提案し、世界最小となる一桁ナノメートルサイズでの動作実証に成功しました。

磁石の向きを電気的に制御して情報を記憶する不揮発性磁気メモリ(STT-MRAM)は現在世界中で盛んに研究開発が行われており、2018年内には本格的量産化が始まる見通しとなっています。今後大容量化・高性能化を進めていく上では、その構成要素である磁気トンネル接合素子の微細化が不可欠です。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。2010年に同グループは「界面磁気異方性」を利用する磁気トンネル接合を開発し、直径20ナノメートルまでの微細化技術を確立しましたが、さらに微細化を進めるにあたっては、上記の2つの要件を同時に満足する技術の開発が大きな課題となっていました。今回、同グループは「形状磁気異方性」を積極活用する新しい磁気トンネル接合素子を提案し、一桁ナノメートル台でも十分な熱安定性と電流誘起磁化反転を実現する素子の動作実証に成功しました。作製した素子の最小サイズは3.8ナノメートルで、これはこれまで行われてきた研究と比べて群を抜いて小さいサイズです。この技術は、極限まで微細化された将来の半導体集積回路にまで適用可能であり、今後技術開発を進めることで現行の約100倍となる100ギガビットクラス以上の大容量ワーキングメモリを実現できるものと期待されます。

本研究成果は、2018年2月14日(英国時間)に英国科学誌「Nature Communications」のオンライン速報版で公開されます。

本研究は、主に以下の事業・研究プロジェクトによって得られました。

●科学技術振興機構 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム(OPERA)
URL:http://www.jst.go.jp/opera/

幹事機関東北大学
共創コンソーシアムIT・輸送システム産学共創コンソーシアム
研究領域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
領域統括遠藤 哲郎
研究期間平成28年度~平成32年度

●内閣府 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)
URL:http://www.jst.go.jp/impact/

プログラム・マネージャー佐橋 政司
研究開発プログラム無充電で長期間使用できる究極のエコIT機器の実現
研究開発課題スピントロニクス集積回路
研究開発責任者遠藤 哲郎
研究期間平成26年度~平成30年度

●文部科学省「未来社会実現のためのICT基盤技術の研究開発」

研究開発責任者大野 英男
課題名耐災害性に優れた安心・安全社会のためのスピントロニクス材料・デバイス基盤技術の研究開発
研究期間平成24年度~平成28年度

●日本学術振興会科学研究費助成事業(科学研究費補助金)「特別推進研究」

研究開発責任者大野 英男
課題名スピントロニクスを用いた人工知能ハードウェアパラダイムの創成
研究期間平成29年度~

<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>

本成果は、平成26年度~平成30年度にわたり、ImPACT佐橋プログラムにおいて、取り組まれているスピントロニクス集積回路プロジェクト(リーダ:東北大学 大野 英男 教授)の最新成果であり、超低消費電力高性能ワーキングメモリとしての実用化が期待されるSTT-MRAMの主要構成要素である磁気トンネル接合素子の新しい方式を提案し、世界最小となる一桁ナノメートルサイズでの動作実証に成功したものである。まだ解決しなければならない課題は残されているものの、平成30年内には埋込み型ワーキングメモリから製品化が始まる見通しとなっているSTT-MRAMの数ナノメートルまでのスケーリングに道筋をつける今回の成果の意義は大きく、応用分野の一層の拡大につながるものと期待される。また、年々微細化が進んでいる半導体メモリ・集積回路のテクノロジーノードは、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おり、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あることから、現行の典型的なワーキングメモリの容量が最大で数ギガビット程度に止まっているのに対し、今後の材料・素子技術の開発で更なる大容量化への扉が拓かれ100ギガビットも夢ではなくなるかも知れません。

<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。

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