新構造磁気メモリ素子を開発

ポイント

• 超高速・低消費電力集積回路の実現に適した新構造磁気メモリ素子を開発。
• スピン軌道トルクを用いた第３の磁化反転方式の動作実証に成功。
• 第３の磁化反転方式は既存の２つを上回る超高速動作を低電流で実現可能。
• 既存方式との比較によりスピン軌道トルク磁化反転の物理の理解を促進。

＜佐橋 政司　プログラム・マネージャーのコメント＞

大野先生が牽引するプロジェクトは、ＩｍＰＡＣＴ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」の要となるもので、ＩｏＥ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ　ｏｆ　Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ）時代の革新的情報処理システムの実現を目指すものです。

現在のＩＴ機器には、揮発性メモリであるＤＲＡＭやＳＲＡＭが多く使用されていますが、ＩｏＥ時代にはこれらを不揮発性メモリに置き換える必要があり、そのためには超高速で低消費電力の不揮発性メモリが不可欠です。今回の成果は、高速性と低電流動作特性を両立が可能な「スピン起動トルク磁化反転方式」を動作実証したものであり、これまでの基礎的な物性の確認から、デバイスの実現に向け一歩踏み出したものです。従って、ＩｍＰＡＣＴの目指すメモリの全不揮発性化に向けて、大変にインパクトのある成果と考えています。

＜研究の背景と経緯＞

現在我々が使用しているパソコンやスマートフォンでは、ＳＲＡＭやＤＲＡＭなどの半導体メモリが用いられています。これらのメモリはこれまで構成素子を微細化することで性能を向上させてきましたが、最近では微細化に伴う消費電力の増大が顕在化しています。このような中、磁性体を用いたメモリ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ：ＭＲＡＭ）がその代替技術として注目されています。ＭＲＡＭは微細化特性に優れるうえ、磁化（Ｎ極／Ｓ極）の向きで情報を記憶するため記憶情報の保持で電力を消費しない不揮発性を有し、かつ現行のＳＲＡＭやＤＲＡＭと同様な高速性や無限回の書き換え耐性を備えます。従ってＭＲＡＭを集積回路^注３）に適用することで、今後も性能を持続的に向上させながら、同時に大幅な消費電力の低減が実現できると期待されます。

ＭＲＡＭはここ２０年に渡る基礎から応用までの幅広い研究開発によって発展を遂げ、一部で実用化も始まっています。初期に開発が行われたＭＲＡＭでは、電流が作る磁場によって磁性素子の磁化方向を反転して情報を書き込んでいましたが、最近では電流そのものが運ぶ磁気的な性質によって生じる力や、電流ではなく電圧が誘起する磁性素子の特性変化を利用して磁化を反転するなど、情報の書き込み方法の研究対象も多岐に渡っています。そのような中、２０１１年に基板面内方向に導入される電流が誘起する基板垂直方向の磁気の流れ（スピン流）を用いた磁化反転が実験で示されました。この方法はスピン・軌道相互作用が介在していることから、スピン軌道トルク磁化反転と呼ばれています。

スピン軌道トルク磁化反転にはこれまで２つの方式があることが知られており、いずれも長所短所がありました。１つ目の構造（図１（ａ））は、原理的にはナノ秒付近の高速領域でも低速領域と同程度の電流での磁化反転（書き込み）が可能であるものの、磁化反転に要する電流の絶対値が大きいという課題がありました。一方で２つ目の構造（図１（ｂ））は低速領域では小さな電流で磁化を反転させられるものの、高速領域では磁化反転に要する電流が著しく増大することが分かっていたほか、セル面積の低減が難しいという課題もありました。

＜研究の内容＞

今回東北大の研究グループは、これまでに知られていた２つの方式とは異なるスピン軌道トルク磁化反転の第三の方式（図１（ｃ））を考案し、その動作実証に成功しました。またこの新構造が既存の２構造の有する課題を解決できる応用上有用なものであることを明らかにしました。

本研究では理論計算をもとに材料・素子構造を設計し、続いて微細加工技術を用いてＳｉ基板上にナノメートルスケールの素子を作製し、その特性を室温で電気的に評価しました。電流を導入する重金属チャネル層にはタンタル（Ｔａ）を用い、また磁化が反転する強磁性層にはコバルト鉄ボロン（ＣｏＦｅＢ）合金を用いました。作製した素子の磁化反転特性を評価したところ、当材料系におけるスピン・軌道相互作用から予測された通りの磁化反転が観測されました（図２）。磁化反転に要した電流密度は１０^１１Ａ／ｍ^２台の前半であり、これは実用上十分に小さい値と言えます。また実験に加えて行われた理論計算から、今回の新構造素子は従来のＭＲＡＭ素子よりも１０倍程度高速な１ナノ秒レベルでの磁化反転を低電流で実現できることも示されました。さらに、これらの応用上の有用性の実証に加えて、本研究ではこれまで知られていた２つの方式の素子も作製・評価し、新構造素子の特性と詳細に比較しました。その結果、スピン軌道トルク磁化反転を誘起するのに必要な電流密度の閾値を決める因子についても、これまで知られていなかった知見を得ることができました。

本研究成果は、応用・基礎の両面で意義深いものと言えます。応用上の意義としては、ＭＲＡＭのＧＨｚクラスの超高速動作に向けた道が開けたということが挙げられます。スピン軌道トルク磁化反転素子を含めて従来のＭＲＡＭ素子は、低電流動作や高速動作などの応用上の要件を高いレベルで両立することが難しかったのですが、今回の新構造素子ではこれが可能です。実際に今回示されたスピン軌道トルク磁化反転に必要な電流密度の大きさや、「０」「１」の情報を記憶した状態での抵抗変化の大きさはＭＲＡＭや集積回路において必要とされるレベルに近い値となっています。このことから今後の技術開発によって応用上の指標を十分に達成でき、低消費電力かつ高性能なメモリや集積回路の実現に向けた道が開けていくものと期待されます。一方基礎的な意味では、本研究によってスピン軌道トルク磁化反転に新しい方式が加わったことで、当磁化反転の物理をより詳細に調べられるようになったという点が挙げられます。具体的には、本研究においてもその可能性の一端が示されているように、従来の２構造を評価するだけでは解明が困難であった物理が、今回の新構造を効果的に用いることによって明らかにできると考えられます。

＜今後の展開＞

上述の通り磁性素子は不揮発性を有するため、集積回路の消費電力を劇的に低減することが可能です。またその効果は特にＩｏＴ社会において重要な役割を果たすセンサー端末などの比較的待機時間の長いアプリケーションにおいて大きくなります。一方で今回の研究によって、超高速での動作が期待できるスピン軌道トルク磁化反転の新たな方式が示され、かつ試作した磁性素子において優れた特性が確認されました。これらのことから、今後この新構造の技術開発が進むことによって、高性能性と低消費電力性を併せ持つ集積回路、およびそれを用いた利便性の高いＩｏＴ社会の実現への道が開けていくことが期待されます。

また、図１から分かるように本研究によってＸ－Ｙ－Ｚ直交座標系において考えられる全てのスピン軌道トルク磁化反転方式が出揃ったことになります。今後は基礎研究レベルでもこれらの３方式の磁化反転を精密に比較することによって、スピン軌道トルク磁化反転の物理や材料科学、およびその根底にあるスピン・軌道相互作用に関する理解が一層促進されることが期待されます。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ

ＳＲＡＭ（Ｓｔａｔｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）とは、主に６個のＭＯＳトランジスタで形成されるメモリセルからなる高速のメモリである。主にＣＰＵ（中央演算処理装置）内において情報の一時的な記憶を担うキャッシュメモリとして用いられる。ＤＲＡＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ　Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）とは、主に１個のトランジスタと１個のコンデンサからなる中速のメモリである。ＳＲＡＭよりもアクセス頻度は少ないが容量は大きく、メインメモリとして使われることが多い。ＳＲＡＭもＤＲＡＭも電源がＯＦＦの状態では記憶情報を保持できない揮発性のメモリである。通常はＤＲＡＭの下層にフラッシュメモリやハードディスクなどの不揮発性の補助記憶装置が設けられ、１つのコンピュータシステムが形成される。

注２） スピン・軌道相互作用

電子のスピン（自転運動）と軌道運動（並進、公転運動など）の間の量子相対論的な相互作用。例えば電場中を運動する電子にはスピン・軌道相互作用を介して実効的な磁場が働き、電子のスピンの方向に応じて異なる方向に散乱される。これによって電流と直交する方向にスピンの流れが生じる現象のことをスピンホール効果と言う。

注３） 集積回路

トランジスタ、メモリ、コンデンサなどが配線によって接続された状態で１枚の半導体基板上に作りこまれ、ある機能を果たすように設計された回路。あらゆる電子機器において用いられており、現在の情報化社会の根幹をなしている。典型的な集積回路は、情報の処理を担当するプロセッサと、一時的、ないしは中期的な情報の記憶を担当するキャッシュメモリ、メインメモリ、および長期的な情報の記憶を担当するストレージによって構成されている。

＜論文タイトル＞

“A spin–orbit torque switching scheme with collinear magnetic easy axis and current configuration”
（電流と磁化容易軸が平行な構造におけるスピン軌道トルク磁化反転）
Ｎａｔｕｒｅ　Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ, doi: 10.1038/nnano.2016.29.

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