電圧書込み方式磁気メモリーの書込みエラー率を飛躍的に低減

ポイント

• 電圧書き込み方式の不揮発性磁気メモリーの書込みエラー率を従来の1/200に低減
• 一回のエラー訂正（ベリファイ）で実用的な書込みエラー率を実現可能
• 高信頼性と超低消費電力性を併せ持つ電圧書込み型磁気メモリーの実現に道

＜佐橋 政司　プログラム・マネージャーのコメント＞

湯浅 新治　博士(産業技術総合研究所)をリーダに取り組んでいる電圧磁気異方性制御技術を利用した電圧駆動MRAM開発タスクフォースは、世界に先駆けての大きなチャレンジであり、実用化に向けては多くの課題を解決する必要がある。なかでもエラー訂正なしで１０^-５の書込みエラー率を達成することは、当面の大きな課題であった。したがって、今回産総研の研究開発グループが、これまでの1/200、すなわち書込みエラー率を１０^-５まで低減するところまでにたどり着けたことは、大きな前進と言える。ここまで低減できると１回のエラー訂正（ベリファイ）で実用的な書込みエラー率を実現することが出来、高い信頼性と超低消費電力性を有する電圧書込み型MRAMの実現が現実味を帯びて来る。

今後は、書込みエラー率の更なる低減はもちろん、駆動電圧の低減や実デバイス上での安定な書き込みを実証するための特性バラつきなど実用化に向けての開発を回路技術も含めて推進して頂き、低電力消費化に限らず、現在世界規模で製品開発が進められている電流駆動型のMRAM（STT-MRAM）が抱えるさまざまな課題の克服に果敢に取り組んで頂くことを期待する。

＜開発の社会的背景＞

超スマート社会の到来により、ＩＴ機器の消費電力低減は急務の課題となっている。例えばモバイルＩＴ機器では、ＣＰＵとメモリーによる消費電力は、全消費電力の３０～４０％を占めており、充電ストレスフリー化に向けて消費電力のさらなる低減が求められている。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。スピントロニクス分野では、磁石の磁化が持つ不揮発性機能を利用した待機電力ゼロの不揮発性メモリーＭＲＡＭの開発が行われている。しかしながら、現在世界規模で製品開発が進められているＭＲＡＭでは電流書込み方式が採用されており、電流による発熱を原因とする不要な電力消費が駆動電力低減の障害として懸念されている。

一方、電圧トルクＭＲＡＭは、原理的に電流が不要な超低消費電力性、ナノ秒程度の高速動作、高い繰り返し動作耐性などの特徴を持つ。そのため次世代ＭＲＡＭとして期待されているが、書込みエラー率の低減が課題となっていた。書込みエラー率はベリファイを繰り返して低減できるが、より高い信頼性と高速性を両立させるには単一パルスによる書込みエラー率を低減することが求められている。

＜研究の経緯＞

産総研はこれまでにスピントロニクス分野で世界的にもトップクラスの研究開発を行ってきている。その蓄積を生かして、電圧トルクＭＲＡＭの研究開発に取り組んでいる。国立大学法人 大阪大学 大学院基礎工学研究科　鈴木 義茂　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、電圧磁気異方性制御^注５）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）。またそれを用いた新しい磁化反転制御法を開発し、単一パルスによる書込みエラー率４×１０^－３を実現した（２０１５年１２月１０日　産総研プレス発表）。さらにパルス電圧の波形を工夫することで書込みエラーを低減することができる新たな書き込み方式とそれに必要な新型回路を開発した（２０１６年１２月５日産総研などプレス発表）。書込みエラー率はベリファイ^注２）を繰り返すことで低減させることが可能であるが、より高い信頼性および高速性を両立させるためには単一パルスによる書込みエラー率の低減は非常に重要な課題である。

これまでに、電圧トルクＭＲＡＭで課題となっている書込みエラー率を低減するためにはＭＴＪ素子の記憶層に高い熱じょう乱耐性を持たせることと、それをちょうど打ち消す強度の電圧をかけることが有効であることがシミュレーションによって予測されていた。しかし、これまでのＭＴＪ素子は熱じょう乱耐性が低く、エラー率の低減に限界があった。そこで今回、記憶層となる超薄膜金属磁石層の作製プロセスを改善して、高い熱じょう乱耐性と高い電圧磁気異方性変調効率^注５）を両立する記憶層を開発し、単一パルスによる書込みエラー率の低減に取り組んだ。

＜研究の内容＞

図１に今回用いた垂直磁化型^注７）ＭＴＪ素子と電圧書込み方式の模式図を示す。記憶層／絶縁層／磁化固定層を基本構成とし、記憶層の鉄コバルト合金は電圧によって磁気異方性を制御するため数原子層程度と極めて薄い。この素子は電圧をかけている間だけ磁化が回転するため、ちょうど半回転したところで電圧を切ると回転が止まり、磁化が反転してメモリーへの書込みが行われる。

今回記録層の鉄コバルト合金の組成比と熱処理温度の最適化を行った。図２に示すように、鉄コバルト合金のコバルト組成が３１ａｔ％^注８）で、２５０℃で熱処理すると最大の垂直磁気異方性エネルギー^注７）と磁気異方性変調効率が得られた。その結果、熱じょう乱耐性Δ_０が従来素子の１．４倍で、電圧による磁化反転、すなわち書き込みできるＭＴＪ素子が実現した。

次に電圧による書き込み動作後の素子抵抗の変化から磁化反転の成功・失敗を判定し、これを繰り返して書込みエラー率を評価した。図３に、書込みエラー率と電圧をかけた時間（電圧のパルス幅）との関係を示す。ちょうど磁化が半回転する時間だけ電圧をかけた時に、効率よく書き込みが行われ、パルス電圧強度１．５６Ｖで書き込みエラー率は２×１０^－５となった（図３星印）。一方、電圧磁気異方性変調率は同じで、熱じょう乱耐性Δ_０が２／３程度の記憶層を用いたＭＴＪ素子の書き込みエラー率を評価したところ、書き込みエラー率は１０^－３台に留まったことから、熱じょう乱耐性の向上が書き込みエラー率低減の鍵であると考えられる。

今回、ＭＴＪ素子の記憶層の特性を改善して書き込みエラー率をこれまでに報告されている値の１／２００に低減した。これはベリファイを一回実行するだけで実用的な書込みエラー率のターゲットとなる１０^－１０台を実現できる値である。また、これまでのベリファイを複数回必要とする素子と比較して書き込み時間が短縮されることで１０ナノ秒以下での書き込みが可能となり、高信頼性と高速性を持つ超低消費電力電圧トルクＭＲＡＭへの適用が期待される。

＜今後の予定＞

さらなる書込みエラー率低減に向けた新材料開発に加えて、実デバイス上での安定な書込みを実現するために特性バラつきを改善し、併せて電圧トルクＭＲＡＭ用回路技術の開発を進める。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１） 電圧トルクＭＲＡＭ、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、現在世界規模で製品開発が進められている。一方、超高速の電圧パルスを用いて「０」、「１」の情報書込みを行うものが電圧トルクＭＲＡＭである。電圧トルクＭＲＡＭはまだ基礎研究段階にあるが、原理的に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持つ。

注２） 書込みエラー率、エラー訂正（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。メモリーの実用化には書込みエラー率を用途に応じて１０^－９～１０^－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ことで、実効的な書込みエラー率を下げることができる。これをエラー訂正（ベリファイ）と言う。例えば、書込みエラー率が１０^－５の場合でも、ベリファイを３回行えば実効的な書込みエラー率は１０^－１５まで低減することができる。

注３） 磁気トンネル接合素子（ＭＴＪ素子）

記憶層、絶縁層、磁化固定層からなる素子を磁気トンネル接合という。英語名（Ｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｔｕｎｎｅｌ　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、二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ビットの情報を記憶させる。

注４） 磁化反転

磁気トンネル接合素子の記憶層の磁化の向き（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。

注５） 電圧磁気異方性変調効率、電圧磁気異方性制御

厚さが数原子層程度の金属磁石薄膜に電圧をかけると、磁化の向きやすい方向を決める磁気異方性が線形に変化することが知られている。これを電圧磁気異方性制御と呼ぶ。単位電界当たりの垂直磁気異方性エネルギーの変化量が電圧磁気異方性変調効率であり、変調効率が高いほどより低電圧で磁化反転が起こるため、電圧トルクＭＲＡＭの重要な性能指標の１つとなる。

注６） 熱じょう乱耐性Δ_０

Δ_０＝Ｅ／ｋ_ＢＴ（Ｅ：磁気エネルギー障壁の高さ、ｋ_Ｂ：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以上の熱じょう乱耐性が必要となる。

注７） 垂直磁化型、垂直磁気異方性エネルギー

磁石薄膜の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と考えられている。垂直方向に磁化を維持する磁気エネルギーを垂直磁気異方性エネルギーと呼び、垂直磁化型磁石薄膜における磁気エネルギー障壁の高さは垂直磁気異方性エネルギーと磁石薄膜の体積で決まる。

注８） ａｔ％

原子組成百分率。Ｃｏ_３１Ｆｅ_６９（ａｔ％）の場合、１００個の原子の内、３１個がＣｏ、６９個がＦｅで構成されていることを意味する。

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