－超低消費電力の電圧書込み型磁気メモリー「電圧トルクMRAM」の実現に道筋－

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にあるが、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）。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。

図1に電圧書込み方式の模式図を示す。電圧をかけていないとき、磁化は磁気エネルギーの低い方向に向き、上向き（図1左：メモリーの「0」状態に対応）または下向き（図1右：メモリーの「1」状態に対応）で安定している。ここに超高速の電圧パルスをかけると、瞬間的に磁気異方性が変化して記録層の磁化が回転し始める（図1中央）。ちょうど磁化が初期状態と反対向きになった時に電圧を切ると、回転が止まり、磁化が反対向きに固定され、メモリーの書込みが行われる。

今回用いた素子は直径120ナノメートルの円柱状で、記録層として1.8ナノメートル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。電圧をかけた後の素子の電気抵抗の変化から磁化反転の成功・失敗を判定し、10万回の書込みを行って書込みエラー率を評価した。図2に、書込みエラー率と電圧印加時間（電圧パルスをかけた時間）との関係を示す。星印は書込みエラー率が最小となる電圧印加時間を示している。今回用いた磁化反転技術は磁化の回転運動を利用するため、ちょうど磁化が半回転する時間だけ電圧をかけた時に、効率よく磁化が反転するが、星印がその時間に対応する。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、磁気摩擦定数を0.1と仮定した計算機シミュレーションの結果と良く一致する。

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、メモリーを超高速動作させるにはベリファイを用いずに10-10～10-15程度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行った計算機シミュレーションの結果を図3に示す。これは、熱じょう乱耐性Δに対して書込みエラー率を計算した結果である。今回の実証実験では4×10-3の書込みエラー率が得られたが、これはΔ = 26、磁気摩擦定数 ＝ 0.1のシミュレーション結果と良く一致する。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る。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、十分実現可能である。このように、実用化に必要な書込みエラー率を実現するための指針が得られたため、超消費電力の電圧トルクMRAMの研究開発が大きく加速すると考えられる。