産総研、タンタル層の挿入で「電圧駆動磁気抵抗メモリ」の磁気安定性を改善

産業技術総合研究所(産総研)は7月21日、原子層レベルで制御されたタンタルを用いることで、「電圧駆動磁気抵抗メモリ」の磁気安定性を飛躍的に改善する技術を開発したと発表した。

同成果は、産総研新原理コンピューティング研究センター不揮発メモリチームの山本竜也研究員、同・野﨑隆行研究チーム長らの研究チームによるもの。詳細は、無機材料を扱う学術誌「Acta Materialia」にオンライン掲載される。

次世代不揮発メモリとして期待されるMRAMは、膜厚が数nmの磁石/絶縁層/磁石からなる構造の「磁気トンネル接合(MTJ)素子」からなる記憶素子への情報書き込みに電圧駆動MRAMを使用すれば、現在主流のSTT-MRAMと比べてさらに数桁駆動電力を下げることが可能となると考えられており、その実用化に向けて、磁気安定性および制御効率のさらなる改善が進められている。

産総研でも長年にわたって研究開発が進められてきたが、量産プロセスにおいて製造コストを削減するためには多結晶MTJ素子を用いるのが望ましく、量産成膜装置での新材料およびプロセスの開発が求められていたほか、情報の不揮発性を保つためには磁気記憶層の磁気安定性が重要であり、エラーなく高速に読み出しを行うためには大きなTMRが必要とされている。

これら2つの特性改善のため、多結晶MTJ素子は積層膜を作製した後に熱処理を行う必要があるが、電圧駆動MRAMの磁気記憶層は1nmと薄いため、異種元素がわずかに混じるだけで一転して特性が劣化してしまうことが課題だった。

産総研はこれまでに、多結晶MTJ素子において2×10^-5以下の書き込みエラー率を達成済みだが、この時の熱処理温度は250℃と比較的低温であり、CMOSトランジスタの配線工程で想定される400℃の熱処理に耐える素子は実現できていないという。

さらに、金属電極上に直接磁気記憶層を作製した場合、電極材料からの原子拡散を完全に防ぐことは事実上不可能という点も問題となっていた。そこで今回、量産成膜装置を用いて材料開発を行い、400℃熱処理後もTMRが大きく、高い制御効率を保持する多結晶MTJ素子の開発に取り組むことにしたとする。

そして今回、新たな多結晶磁気記憶層が開発された。これまでは金属電極上に直接CoFeB層が作製されていたが、今回は拡散防止層となる1nm程度の酸化マグネシウム(MgO)層の上にCoFeB層およびトンネル障壁層となるMgO層を作製したという。これらの積層膜は作製後に300℃で熱処理が行われているが、上下の金属電極として用いたタンタル(Ta)の拡散は2つのMgO層でブロックされているという。

磁気記憶層の透過電子顕微鏡写真と元素マッピング。(上)Ta層なし。(下)Ta層挿入あり (出所:産総研Webサイト)

しかしその一方で、MgO層上のCoFeBは親和性が低いため、層構造に凹凸が生じてしまうため、親和性改善のために極薄いTa層が下側のMgO層とCoFeB層の間に挿入された。TaのCoFeBへの混合を最小限に抑えるため、原子層レベルで膜厚を制御して検討が進められた結果、わずか1原子のTa層の挿入で顕著な平坦性改善効果が得られたという。

磁気記憶層の磁化測定結果。赤線および黒線は、それぞれ磁気記憶層の面直および面内方向に磁場を印加することで得られた測定結果が示されている。(左)Ta層なし。(右)Ta層あり (出所:産総研Webサイト)

さらに作製された磁気記憶層の磁化の測定が行われたところ、Ta層が挿入されなかった場合には、CoFeB層の凹凸形状が反映されて磁化の向きがそろいづらく、磁場を面直・面内いずれの方向に印加した場合でも磁化の変化は緩やかになってしまうが、Ta層挿入により平坦化された磁気記憶層では、面直方向に関しては小さな磁場でシャープな磁化の変化が得られており、CoFeB層内で磁化が面直方向にそろった状態が安定化されているのがわかたという。

(上)今回開発した磁気記憶層の透過電子顕微鏡画像。(下)記憶層中の磁化の模式図 (出所:産総研Webサイト)

上部電極をCoFeB層に置き換えてMTJ素子が作製され、TMRおよび制御効率の評価が行われた結果、400℃熱処理後も250℃熱処理時の60％に近い制御効率が維持されており、TMRに関してはCoFeBの結晶化が促進されたことにより2倍以上の増大が見られたという。

原子層制御されたTaを用いたMTJ素子とこれまでの素子の特性比較 (出所:産総研Webサイト)

今後研究チームは、磁気記憶層の電圧書き込み特性の評価を実施し、メモリ素子としての動作検証を進めていくとしている。また、今回開発された磁気記憶層およびプロセス技術は電圧駆動MRAMだけでなく、電流書き込み方式MRAMにも応用可能だとしている。今後は原子層制御の技術を新材料へ幅広く展開し、MTJ素子のさらなる特性改善に向けて研究開発に取り組んでいくとしている。