STT-MRAMの微細化技術を確立、AIや車載向けのカスタマイズが可能に：研究開発の最前線

東北大学は、スピン移行トルク磁気抵抗メモリの極限微細化技術を確立した。磁気トンネル接合素子を数nm領域に微細化しながら、AIや車載など用途に合わせたカスタマイズが可能となる。

[MONOist]

　東北大学は2024年1月11日、スピン移行トルク磁気抵抗メモリ（STT-MRAM）の極限微細化技術を確立したと発表した。

　STT-MRAMは、電源を切っても情報が保持される不揮発性メモリの1種。AI（人工知能）やIoT（モノのインターネット）、車載など幅広い用途での利用が期待されている。

　同研究では、STT-MRAMの記憶素子である磁気トンネル接合（MTJ）素子の構造を工夫した。これにより、MTJ素子を数nm領域に微細化しながら、高温での優れたデータ保持特性や高速でのデータ書き込み特性など、用途に合わせたカスタマイズが可能となる。

　具体的には、MTJ素子の記憶層に用いられるコバルト鉄ホウ素（CoFeB）と酸化マグネシウム（MgO）からなる積層磁性層構造について、CoFeB層の膜厚とMgO挿入層の数（積層回数）を調整することで、界面異方性と形状異方性を制御する。

　車載用途で要求される、高温でのデータ保持特性を重視する場合は、CoFeB層膜厚を直径に対して厚くし、CoFeBおよびMgO層の積層回数を少なくして形状磁気異方性の割合を増やす。逆に、CoFeB層膜厚を薄く、CoFeBとMgO層の積層回数を増やして界面磁気異方性の割合を増やす構造にすると、AIやIoT用途に必要な高速書き込み特性が向上する。

MTJ素子の積層磁性層構造［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　実験では、直径7.6nmの素子が、150℃の環境下でも高いデータ保持特性を有することが確認された。また、直径4.5nmの素子を用いた実験では、比較的高いデータ保持特性を示しつつ、1V以下、10ナノ秒の電圧パルスでデータの書き換えが可能であることが示された。

積層磁性層構造を有するMTJ素子の透過型電子顕微鏡像とその膜構造の模式図［クリックで拡大］ 出所：東北大学

作製したMTJ素子に対して実施した（a）データ保持特性の温度依存性を特徴づけるスケーリング指数、（b）高速性を特徴づける緩和時間の測定結果［クリックで拡大］ 出所：東北大学

　今回の研究で提案された積層磁性層構造は、現在、材料として広く用いられているCoFeBとMgOが利用でき、大手メーカーの既存設備で製造できる。今後、極微細の半導体集積回路向けのSTT-MRAM開発に貢献することが期待される。

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