産総研，電圧書込みメモリーの動作・エラー率評価に成功

産業技術総合研究所（産総研）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を実現する道筋を明らかにした（ニュースリリース）。

IT機器の省電力化に対する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」の開発が行なわれている。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）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。

一方，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だが，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。

産総研はこれまでに大阪大学と協力して，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。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。しかし，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。また，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。

今回用いた素子は直径120㎚の円柱状で，記録層として1.8㎚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。10万回の書込みを行って書込みエラー率を評価したところ，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。なお，この実験結果は，計算機シミュレーションの結果とも良く一致する。

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。しかし，ベリファイにより書込み速度が低下するので，ベリファイを用いずに同等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計算機シミュレーション結果，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た。

なお，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，十分実現可能だという。

研究グループでは今後，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。