(JST)電圧書込み方式不揮発性メモリーの安定動作の実証と書込みエラー率評価~超低消費電力の電圧書込み型磁気メモリー「電圧トルクMRAM」の実現に道筋~ポイント不揮発性メモリーMRAMの新しい書込み方式「電圧書込み」の安定動作を実証。実用上重要な書込みエラー率の評価法を開発、実用化に必要なエラー率実現に道筋。研究員は、電圧を用いた磁気メモリー書込みの安定動作を実証し、実用化に必要な書込みエラー率注1)を実現する道筋を明らかにした。非常に薄い金属磁石層(記録層)をもつ磁気トンネル接合素子(MTJ素子)注2)にナノ秒程度の極短い時間電圧パルスをかけると、磁化反転注3)を誘起できる。これを利用すると磁気メモリーへの情報の書込みができる。今回、この電圧書込み方式の安定動作を実証し、また書込みエラー率の評価法を開発して、エラー率を4×10-3と評価した。実験結果を再現できる計算機シミュレーションを用いて、磁気摩擦定数注4)の低減と熱じょう乱耐性Δ注5)の向上、あるいは書込み後のベリファイ注1)の実行により、メモリー用途に求められる10-10~10-15というエラー率を実現できる可能性があることを示した(下図(b))。電圧書込み方式は電流が不要なので消費電力が非常に小さくなる。今回の成果により、超低消費電力の電圧書込み型不揮発性メモリー注6)「電圧トルクMRAM注7)」の研究開発の加速が期待される。Expressのオンライン速報版に掲載される。短い時間電圧パルスをかけると、記録層の磁化(赤矢印)が反転する。磁気摩擦定数0.01、熱じょう乱耐性50以上で書込みエラー率10-15以下になると予想される。開発に取り組んでいます。プログラム・マネージャーのコメント>電圧書込み型の不揮発性メモリー「電圧トルクMRAM」の研究開発は、ImPACT「無充電で長期間使用できる究極のエコIT機器の実現」の要となる挑戦である。書き込みエラー率の評価を行うとともに、エラー率の低減に向けた道筋を示した本成果は、究極の省電力メモリー「電圧トルクMRAM」の実用化を目指すにあたって大変インパクトのある成果である。本研究開発を弾みに、市場展開に向けた活動の更なる加速を行いたい。<開発の社会的背景>IT機器の省電力化、いわゆるグリーンITの実現は、環境に優しいエコ社会を実現するための最重要課題の1つとなっている。その1つのアプローチに不揮発性エレクトロニクスデバイスの開発がある。スピントロニクス注8)分野では、磁石の磁化が持つ不揮発性記録の機能を利用した、待機電力ゼロの不揮発性メモリー「MRAM注7)」の開発が行われている。現在、世界規模で製品開発が進められている電流書込み方式のMRAM(STT-MRAM注7))は低消費電力の不揮発性メモリーとして期待されているが、それでも書込み電流による電力消費があるため、消費電力の低減には限界がある。ナノ秒程度の電圧パルスによる磁化反転は、1)原理的に電流が不要なので超低消費電力、2)ナノ秒程度の高速動作、3)高い耐久性、4)室温で動作可能、などの特徴がある。電圧書込み方式の磁気メモリー「電圧トルクMRAM」はまだ基礎研究の段階にあるが、将来的にSTT-MRAMよりもさらに低消費電力の不揮発性メモリーになると期待されている。教授らと協力して、厚さが数原子層程度の金属磁石薄膜に電圧をかけて、磁化の向きやすい方向(磁気異方性)を制御する技術の開発に取り組んできた(2012年5月1日産総研プレス発表など)。この技術による電圧トルクMRAMの実用化には、書込みエラー率を10-10~10-15程度以下にする必要がある。これまでは電圧書込み方式の書込みエラー率を評価した例が無く、メモリーとしての安定動作が可能かどうかも分かっていなかった。今回産総研では、ギガビット級の大容量メモリーに使用できる垂直磁化型注9)MTJ素子について、ナノ秒程度の電圧パルスによる書込みのエラー率の評価に取り組んだ。10-10~10-15以下の書込みエラー率の実現に向けて、実証実験と計算機シミュレーションの両面から検討した。研究活動スタート支援(課題番号:26886017)の支援を一部受けたものである。<研究の内容>図1に電圧書込み方式の模式図を示す。電圧をかけていないとき、磁化は磁気エネルギーの低い方向に向き、上向き(図1左:メモリーの「0」状態に対応)または下向き(図1右:メモリーの「1」状態に対応)で安定している。ここに超高速の電圧パルスをかけると、瞬間的に磁気異方性が変化して記録層の磁化が回転し始める(図1中央)。磁化が初期状態と反対向きになった時に電圧を切ると、回転が止まり、磁化が反対向きに固定され、メモリーの書込みが行われる。今回用いた素子は直径120ナノメートルの円柱状で、記録層として1.8ナノメートルの鉄ボロン合金からなる磁石層を用い、絶縁層の酸化マグネシウム層を介して電圧をかけた。電圧をかけた後の素子の電気抵抗の変化から磁化反転の成功・失敗を判定し、10万回の書込みを行って書込みエラー率を評価した。図2に、書込みエラー率と電圧印加時間(電圧パルスをかけた時間)との関係を示す。星印は書込みエラー率が最小となる電圧印加時間を示している。今回用いた磁化反転技術は磁化の回転運動を利用するため、ちょうど磁化が半回転する時間だけ電圧をかけた時に、効率よく磁化が反転するが、星印がその時間に対応する。実験では4×10-3という比較的低い書込みエラー率が実現された。この実験結果は、磁気摩擦定数を0.1と仮定した計算機シミュレーションの結果と良く一致する。10-3台の書込みエラー率でも、書込み後のベリファイを数回実行すれば、メモリーの実用化に必要な10-10~10-15程度の書込みエラー率が実現できるため、メモリーとしての安定動作が可能となる。ベリファイにより書込み速度が低下するので、メモリーを超高速動作させるにはベリファイを用いずに10-10~10-15程度の書込みエラー率を実現する必要がある。これが可能かどうかを調べるために行った計算機シミュレーションの結果を図3に示す。これは、熱じょう乱耐性Δに対して書込みエラー率を計算した結果である。今回の実証実験では4×10-3の書込みエラー率が得られたが、これはΔ=26、磁気摩擦定数=0.1のシミュレーション結果と良く一致する。さらなる磁気摩擦係数の低減(0.01以下)と熱じょう乱耐性Δの向上(50以上)により、10-15以下の書込みエラー率の達成が可能と考えられる。このような磁気摩擦係数と熱じょう乱耐性を持つMTJ素子は、垂直磁化がより安定な記録層材料を用いて、素子サイズをさらに微細化すれば、十分実現可能である。このように、実用化に必要な書込みエラー率を実現するための指針が得られたため、超消費電力の電圧トルクMRAMの研究開発が大きく加速すると考えられる。<今後の予定>今後は、今回得られた指針をもとに、低い磁気摩擦定数と高い熱じょう乱耐性Δの垂直磁化MTJ素子の開発と電圧書込みの高精度化を進め、ベリファイを用いずに実用レベルの書込みエラー率実現を目指す。電圧パルスをかけたとき磁化が回転し、反転したところで電圧をOFFにすると磁化反転が起こる。書込みエラー率、ベリファイ一般に、メモリーの書込みを行うと、ある確率で書込みエラーが生じる。書込みエラーが起こる確率を「書込みエラー率」という。一般に、メモリーの実用化には書込みエラー率を10-10~10-15程度まで低減する必要がある。書込みエラー率が大きい場合でも、書込み動作の直後にエラーの有無を検証し、エラーが起きていたら再度書込みを行う作業(これを「ベリファイ」という)により、実効的な書込みエラー率を下げることができる。書込みエラー率が10-3の場合でも、ベリファイを4回行えば実効的な書込みエラー率は10-12まで低減される。なる素子を磁気トンネル接合という。Junction)の頭文字を取ってMTJ素子とも呼ばれる。両強磁性層の磁化の向きの相対配置によってMTJ素子の電気抵抗が変化する現象は、トンネル磁気抵抗効果(TMR効果)と呼ばれる。下図に示すように、2つの磁化が平行状態のとき抵抗は低く、反平行状態のとき抵抗は高くなる。MRAMでは、それぞれの磁化状態を「0」、「1」に対応させて1ビットの情報記憶を行う。磁気トンネル接合素子の記録層の磁化の向き(S極からN極への方向)が反転すること。磁化反転により、磁気メモリーMRAMの情報書込みが行われる。磁化の回転運動の中心(磁化のエネルギー安定点)へ向かって働く力(下図の青矢印)であり、減衰の強さを表す。ギルバートダンピング定数とも呼ばれる。振り子運動の摩擦に相当する。Δ=E/kBT(E:エネルギー障壁の高さ、kB:ボルツマン定数、T:絶対温度)で表すことができ、熱エネルギーのじょう乱に対する磁気メモリーの記録保持性能を表す指標となる。10年以上の記憶保持時間を実現するためには、60以上のΔが必要となる。不揮発性メモリーメモリーでは、電源を切っても記憶情報が保持される性質を「不揮発性」といい、そのような性質を持つメモリーを「不揮発性メモリー」という。MRAM、STT-MRAM、電圧トルクMRAM磁気トンネル接合素子を記憶素子に用いた不揮発性メモリーを「MRAM」という。MRAMの記憶書込み方式として、磁界を用いる方式、電流を用いる方式、電圧を用いる方式などがある。電流書込み方式のMRAMは「STT-MRAM」と呼ばれ、現在世界規模で製品開発が進められている。短い時間電圧パルスをかけて「0」、「1」の情報書込みを行うものを「電圧トルクMRAM」という。電圧トルクMRAMはまだ基礎研究段階にあるが、原理的にSTT-MRAMに比べて大幅な低消費電力化が可能であり、超低消費電力の不揮発性メモリーとしてのポテンシャルをもつ。スピントロニクス電子の持つ電気的性質(電荷)と磁気的性質(スピン)の両方を利用して、新しい機能を持った電子デバイスを創出しようとする分野である。膜面に垂直な方向に磁化が向いている状態を垂直磁化と呼ぶ。磁石を小さくしても大きな熱じょう乱耐性Δを維持できることから、ギガビット級の大容量メモリーに有効であると考えられている。