東北大学は12月10日、直径11nmの磁気トンネル接合素子を作製することに成功し、同大のグループが開発した材料を用いた磁気トンネル接合で、直径20nm以下まで微細化しても不揮発性と低消費電力が両立できることを実証したと発表した。

同成果は、同大 省エネルギー・スピントロニクス集積化システムセンターの大野英男センター長(同大 電気通信研究所 教授、原子分子材料科学高等研究機構 主任研究者、国際集積エレクトロニクス研究開発センター 教授兼任)らによるもの。アルバックと共同で行われた。詳細は、12月9～11日に米国ワシントンD.C.で開催される「International Electron Device Meeting(IEDM)」にて発表される。

半導体メモリは、素子のサイズを小さくすることにより、大容量化・高機能化を実現してきたが、20nm以下の微細化は困難だと予測されている。半導体メモリは電子の電気的性質を利用して成り立っているが、電子には磁気(スピン)という性質もあり注目されている。これら電子とスピンという2つの性質を上手く融合したものをスピントロニクス素子といい、世界中の半導体メーカー・大学・研究機関で、研究開発が活発に行われている。

スピントロニクス素子の代表格である磁気トンネル接合は、素子構造が単純で占める面積が小さいために高集積化(大容量化)に適している。また、高速書き込み・読み出しが可能であり、原理的には書き換え回数に制限がない。これらは既存の半導体メモリが有する特徴だが、加えて磁気トンネル接合を用いたメモリは、磁石の性質を用いて情報を記憶するために、情報保持に電力が不要な不揮発性を有している。つまり、磁気トンネル接合を用いたメモリを実現できると、これまでの半導体メモリの利点を損なうことなく、待機電力を劇的に低減したメモリを実現できると期待されている。

磁気トンネル接合を用いたメモリを実現するためには、半導体デバイスの微細化に応じて、不揮発性と低消費電力を維持しながら、素子のサイズを微細化する必要がある。これまで磁気トンネル接合を用いた不揮発メモリに関する研究は、各方面で行われて来たが、半導体メモリの実現が難しいと予測される20nm以下で、高い不揮発性と低消費電力を有する磁気トンネル接合を実現した報告はなかった。

今回、研究グループでは、アルバックと直径11nmサイズの磁気トンネル接合を作製するプロセス技術を開発し、同大のグループで開発した高い不揮発性と低消費電力を実現できる2重CoFeB-MgO界面構造を有する垂直磁化容易磁気トンネル接合を作製した。作製した磁気トンネル接合素子は、直径20nmで不揮発性能(熱安定性)がΔ=58、高トンネル磁気抵抗比(TMR比)が120%、書き込み電流値が24μAを示しているという。

今回の研究により、スピントロニクス素子を用いた大容量メモリの実現に向けて大きく前進したと考えられるとコメントしている。