【レポート】

IEDM 2005 - ソニー、電子のスピンを利用した不揮発性磁気メモリを開発

福田昭  [2005/12/07]

ソニーは電子のスピンを利用した不揮発性磁気メモリ(Spin-RAM)を開発し、IEDM(International Electron Devices Meeting) 2005でその概要を発表した(講演番号19.1)。不揮発性磁気メモリでは、MRAM(Magnetic RAM)技術が最も開発が進んでいる。MRAMでは、磁気トンネル接合(強磁性層/トンネル障壁層/強磁性層)の磁化の向きを外部磁界で制御し、磁気トンネル接合の電気抵抗を変えてデータの「1」あるいは「0」を書き込む。ソニーが開発したSpin-RAMは、磁気トンネル接合を使う点はMRAMと同じであるものの、書き込みに外部磁界を必要としない。ソニーはMRAMよりも高密度で、消費電流が低い不揮発性メモリを実現できるとする。

磁気トンネル接合は通常、強磁性層(磁化の向きが固定)とトンネル障壁層、強磁性層(磁化の向きが動く)の3層構造で構成されている。初めは強磁性層の磁化の向きが等しく、電気抵抗は低い状態にあると仮定する。ここで磁気トンネル接合に電圧を加えると、電流が流れる。接合を横切るように電子が動くので、電子スピンの向きを変えようとする力(トルク)が生じ、「強磁性層(磁化の向きが動く)」では印加電圧が一定値を超えると電子スピンの向きが反転する。この結果、「強磁性層(磁化の向きが動く)」の磁化の向きも反転し、磁気トンネル接合の電気抵抗が一気に増大する。

ただし従来は、磁化の反転にミリアンペアオーダーの電流が必要であり、不揮発性メモリに適用するには電流が大きすぎる、具体的にはメモリセル選択トランジスタの飽和電流よりも高い電流が必要になってしまうという問題があった。今回、ソニーは磁化の反転に必要な電流を数百マイクロアンペアに下げ、セル選択トランジスタの飽和電流よりも低い値での書き込みを可能にした。ただし、書き込み電流を下げられた理由については明らかにしていない。

開発したSpin-RAMのメモリセルは、選択MOSトランジスタのドレインに磁気トンネル接合の「強磁性層(磁化の向きが固定)」側を接続した構造である。磁気トンネル接合の「強磁性層(磁化の向きが動く)」側はビット線に接続される。データを書き込むときは、MOSトランジスタのソースとビット線の間に電圧を印加する。今回の発表では、4kビットのSpin-RAMを試作してみせた。磁気トンネル接合の材料は強磁性層がコバルト鉄ボロン(CoFeB)、トンネル障壁層が一酸化マンガン(MgO)である。製造プロセスは180nmのCMOS技術、4層金属配線。磁気トンネル接合の大きさは100nm×150nm~150nm×300nm。

試作した磁気トンネル接合の磁気抵抗(MR)比は160%と十分高い。大きさが120nm×170nmの磁気トンネル接合を使ったメモリセルの抵抗値は高抵抗状態が4kΩ~4.5kΩ、低抵抗状態が2kΩ~2.5kΩである。書き込み電圧は1V前後と低い。

書き込み電圧のパルス幅を短めにとると、書き込み電流は増加する傾向にある。最短で2ns幅のパルス電圧による書き込みを確認した。このとき低抵抗から高抵抗への遷移に必要な電流が700マイクロアンペア、高抵抗から低抵抗への遷移に必要な電流が450マイクロアンペアである。

信頼性に関しては、100ns幅のパルス電圧(プラス1.1Vとマイナス1.1V)による書き換えサイクルを10の12乗回繰り返しても、メモリセルの磁気抵抗に劣化が見られないとのデータを示した。100ns幅のパルス電圧で書き換えに必要な電流は、低抵抗から高抵抗への遷移時に350マイクロアンペア、高抵抗から低抵抗への遷移時に220マイクロアンペアである。さらに発表後の質疑応答で、データ保持特性の試験結果を示した。温度400Kで10年を経過しても、データは劣化なく保持される。

また今後、加工寸法を微細化することによって書き換え電流を下げられるとの見通しを示した。90nmプロセスのときに磁気トンネル接合の寸法が100nm×150nm、書き換え電流が400マイクロアンペア(パルス幅10ns)であるのに対し、45nmプロセスではそれぞれ50nm×100nm、140マイクロアンペア、32nmプロセスではそれぞれ40nm×80nm、100マイクロアンペアが実現できるという。



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