2024.7.10

第1回ARIM量子・電子マテリアル領域セミナー

最先端デバイス技術
固体磁気メモリ開発の現状と将来展望

野崎隆行 (nozaki-t@aist.go.jp)
産業技術総合研究所

新原理コンピューティング研究センター

本日のアウトライン

1. スピントロニクスとトンネル磁気抵抗(TMR)効果
2. 磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ (MRAM)の開発状況
・ 電流磁界型MRAMからスピントランスファートルク(STT)-MRAMへ
３．次世代型MRAMへの取り組み
・ スピン軌道トルク(SOT)-MRAM
・ 電圧駆動型(VC)-MRAM
４．まとめ
2

本日のアウトライン

1. スピントロニクスとトンネル磁気抵抗(TMR)効果
2. 磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ (MRAM)の開発状況
・ 電流磁界型MRAMからスピントランスファートルク(STT)-MRAMへ
３．次世代型MRAMへの取り組み
・ スピン軌道トルク(SOT)-MRAM
・ 電圧駆動型(VC)-MRAM
４．まとめ
3

スピントロニクス

スピンによる電流制御 (情報読み出し)
外場によるスピン制御 （情報書き込み）
スピン自由度を利用した新機能電子デバイスの創製フォトニクス、熱電分野などへも展開

4

スピントロニクスのコア技術 ～トンネル磁気抵抗(Tunnel MagnetoResistance: TMR)効果～
磁気トンネル接合(MTJ: Magnetic Tunnel Junction)素子
トンネル電流大トンネル電流小強磁性記録層トンネル障壁層(膜厚数nm)強磁性参照層RP

RAP

TMR比 ≡ (RAP – RP) / RP×100% （性能指数）
磁化の向きは面内でも面直でも良い5

TMR効果の定性的な説明 ~スピン依存トンネリング~

平行磁化状態
反平行磁化状態
宮崎ら、Mooderaら（1995年）
エネルギー

3d 強磁性体
ｱﾓﾙﾌｧｽ AlOx

状態密度3d 強磁性体

TMR比～70% (室温)

高抵抗
低抵抗

磁気抵抗比はトンネル過程に寄与する電子のスピン分極率Pで決まる

6

MgO(001)トンネル障壁層を用いた巨大TMR効果

コヒーレントトンネリングの活用

Fe(001)

MgO(001)（電子顕微鏡写真）∆5

minority spin
1.51.0∆1300

MR ratio (%)

T = 20 K
MR = 247%
200Fe(001)高対称 ∆1 ブロッホ状態が支配的にトンネル伝導する-200-100↓0H ( Oe )100200

産総研発 S.Yuasa et al., Nature Mater. 3, 868 (2004).

∆10.5

↑

E0.
0

F-0.5

Γ

T = 293 K
MR = 180%1000∆1majority spin

∆1

∆1

E - EF ( eV )∆2bcc Fe(001) 電極のバンド構造(001)
directionH

完全にスピン分極した∆1 バンド（P = 1）
7

MgO(001)トンネル障壁層を用いた巨大TMR効果

２つの幸運 アモルファスCoFeB上にMgOが(001)優先配向する
 ポストアニールにより、MgO(001)界面からCoFeBがbcc(001)構造に結晶化

実用MTJの基本構造
記録層

MTJor

D. Djayaprawira et al., APL 86, 092502 (2005).

トンネル障壁層
参照層

アモルファスCoFeB

RuFM (Co-Fe)
反強磁性層（Pt-Mn or Ir-Mn）（交換バイアス層）

熱処理

配向性多結晶 界面からMgO(001)
結晶化

磁化固定構造はfcc (111)が基本

3回対称の磁化固定構造と4回対称のFe/MgO(001)系は相性が悪い・・・

250ºC以上で1 nm

アモルファス
CoFeB

固相エピタキシャル成長

アモルファスCoFeB/MgO(001)積層における固相エピタクシー技術により量産化に成功
8TMR特性向上の変遷

1000

TMR ratio (%)

800
600

Al2O3 barrier

MgO barrier:Fe or Co
CoFeB

4002000169900240022800221061022020S. Thomas et al. APL 122, 112404 (2023)

Publication Year約15年ぶりに室温TMR比最高値を更新。ON/OFF比10(低温では達成済み)を目指して開発競争中
9MRAM用MTJ素子の構造例
先駆的な学術論文

K. Yakushiji et al. APL 110, 092406 (2017)

MgO(001)トンネル障壁

・ S. Yuasa et al., Nature Mater. 3, 868 (2004).
・ S.S.P. Parkin et al., Nature Mater. 3, 862 (2004).

CoFeB電極or・ Djayaprawira, SY et al., APL 86, 092502 (2005).

垂直磁化・ Kishi, SY et al., IEDM Tech. Dig. 12.6 (2008).

垂直磁化CoFeB電極
・ S. Ikeda et al., Nature Mater. 9, 721 (2010).

Co/Pt人工超格子多層膜・ K. Yakushiji, SY et al., APL 97, 232508 (2010).

スペーサ層
Ru: S.S.P.Parkin et al., PRL 64, 2304 (1990)
Ir: ・ K. Yakushiji, SY et al., APL 110, 092406 (2017).

10

TMR素子の応用例
位置・角度検出センサー

高密度HDD用磁気ヘッド
磁気抵抗効果型
ランダムアクセスメモリ(MRAM)

https://www.tdk.com/
生体磁気センサー

MRAM produced by Intel (IEDM2018)

TMRセンサーB.-Y. Jang et al.
J. Magn. Magn. Mater. 571 170546 (2023)

https://www.spintronics.co.jp/11本日のアウトライン

1. スピントロニクスとトンネル磁気抵抗(TMR)効果
2. 磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ (MRAM)の開発状況
・ 電流磁界型MRAMからスピントランスファートルク(STT)-MRAMへ
３．次世代型MRAMへの取り組み
・ スピン軌道トルク(SOT)-MRAM
・ 電圧駆動型(VC)-MRAM
４．まとめ

12

磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ(MRAM: Magnetoresistive random access memory)利点 不揮発性
 高速動作（~ns)
 大容量 (~ Gbit) 高い繰り返し動作耐性 (>1015)
 CMOS技術との親和性
 高い放射線耐性
読み出し： TMR効果の低抵抗-高抵抗を0-1のデジタル情報として利用
書き込み： 外場により記録層磁化の向きを反転
書き込み手法により様々なタイプのMRAMが存在
13

MRAMの情報書き込み技術の変遷1

電流磁界方式 (1990年代後半まで)

BLMTJ
WL1

Everspin社 トグルMRAMSL
WL2Transistor

・ 間接的で非効率・ 素子が小さくなるほど消費電力大(Mbit級が限界)
・ エレクトロマイグレーション問題

データ保持時間 > 20 years
読み出し/書き込み速度 ~ 35 ns
125℃で20年以上の情報保持特性
動作温度範囲 -40℃< T < 150℃
容量 ~ 32Mb
https://www.everspin.com/toggle-mram-technology
14

MRAMの情報書き込み技術の変遷2
スピントランスファートルク(STT)磁化反転方式の誕生
理論予測
J. Slonczewski, JMMM 159, L1 (1996).
L. Berger, PRB 54, 9353 (1996).

伝導電子の流れ実験実証
MgO-MTJ

局在モーメント
伝導電子のスピン参照層
MgO

θ
記録層
電流

スピン角運動量
トランスファー

1999年 E.B.Mayersら 金属接合
2004年 Y. Huaiら AlOx-MTJ
2005年 H. Kubota, ら MgO-MTJ

量子効果による直接的な制御で高効率
15

スピントランスファートルク(STT)書き込みの特徴

微小・薄膜素子ほど少ないスピン角運動量の注入で反転が誘起されるため、小電流で駆動が可能！

書き込み電流 (mA)1612

ただし高速化に伴って書き込み電流が急激に上昇+書き換え耐性が劣化する
点は注意が必要！

8410 ns

1 µs

100 µs

10 ms1s

書き込みパルス幅

中村 東芝レビュー Vol. 61, No. 2 (2006)

D. Bedau et al. Appl. Phys. Lett. 97, 262502 (2010)16面内磁化型＆面直磁化型STT-MRAM

2005 ソニー (M. Hosomi et al., IEDM 2005.)-面内磁化 CoFeB/MgO/CoFeB

or

世界初のSTT-MRAM（面内磁化）2008 東芝-産総研-東北大 (T. Kishi et al., IEDM 2008.)-垂直磁化 MgO-MTJ

世界初の垂直磁化STT-MRAM

50 nm

or

MgO

2010 東北大グループ (S. Ikeda et al., Nat. Mater. 2010.)-垂直磁化 CoFeB電極作製が容易な単層のCoFeBで垂直磁化を実現

17STT-MRAMの直近ターゲット【現在】
ロジック混載不揮発メモリへの適用（従来はNOR-Flash）
 NOR-Flashは、すでに微細化限界

STT-MRAMのトリレンマ

高速性

 STT-MRAMは、低コストでロジック回路に混載可能 書き換え頻度が比較的少ない用途なので、書き換え耐性の要求が厳しくない。

保持時間

耐久性

【近い将来】
e-Flash、ラストレベルキャッシュ（LLC）用低速SRAMの置き換えへ
 高速書き込みと書き換え耐性を両立できるかどうかが技術的なポイント(高速書き込みには高書き込み電流が必要⇒繰り返し動作耐性が劣化 1010~1012程度)
e-Flash代替はデータ保持期間重視(10年以上)、SRAM代替は高速性と書き換え耐性(~1014)重視

 大手半導体メーカー各社による熾烈な製品開発競争中
スタンドアローンMRAMでのDRAM代替は容量、コスト面でのブレークスルーが必要

18

STT-MRAMの実用化例
MCU

スマートウォッチ

ファーウェイ社 GT2
ソニー製GPSプロセッサーにMRAM搭載(Samsung製)

AIチップ

アンビックマイクロ社「Apollo4」シリーズにeFlashの代替としてMRAM(TSMC製)を採用
動作時消費電流を半減
https://ambiq.com/apollo4/

ジルファルコン社「Lightspeeur」にMRAMを搭載(TSMC製)
9.9TOPS/Wの省エネルギー化に貢献
https://www.gyrfalcontech.ai/

ルネサスエレクトロニクス社
200MHz高速ランダムアクセス
マイコンテストチップ
https://www.renesas.com/

グリーンウェーブテクノロジーズ社
ワイヤレスイヤホン用RISC-Vプロ
セッサー「GAP9」にMRAM(GrobalFoundries製)搭載
https://greenwaves-technologies.com/
19本日のアウトライン

1. スピントロニクスとトンネル磁気抵抗(TMR)効果
2. 磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ (MRAM)の開発状況
・ 電流磁界型MRAMからスピントランスファートルク(STT)-MRAMへ
３．次世代型MRAMへの取り組み
・ スピン軌道トルク(SOT)-MRAM
・ 電圧駆動型(VC)-MRAM
４．まとめ

20

スピン軌道トルク(Spin Orbit Torque)とSOT-MRAM
非磁性体のスピン変換とスピン軌道トルク（SOT）スピン流 JS
Science 336, 555 (2012)

磁化

スピン軌道トルク
（SOT）

電流 JC

強磁性体
非磁性体
(スピン流生成層 Ta, Wなど)
スピン軌道相互作用により、↑スピン と↓スピン が分離（スピン流が生成）
スピン変換効率 ≡ JS／JC
21

スピン軌道トルク(Spin Orbit Torque)とSOT-MRAM

スピン軌道トルクMRAM（SOT-MRAM）
BL

スピン流生成層

MTJ

利点
 書き込み／読み出し経路の分離
トンネル障壁層に書き込み電流を流す必要が無い⇒高速動作、高信頼性 (STT-MRAMトリレンマの回避) 読み出し経路の電気抵抗が低いため、多ビット一括書き込読み出しみによる省電力化が可能
書き込みWL
SL1

SL2

課題 スピン変換効率の向上(低電流書き込み) 大容量化と無磁界書き込みの両立
22

３つのタイプのSOT-MRAMとその特徴

Type Y

利点
課題

 無磁界

Type X

Type Z 高速書き込み (Yより)低電流反転

 高速
 (Yより)低電流反転
 大容量

 高速化に大電流必要
 Z方向の磁界が必要  X方向の磁界が必要
 高容量化に難深見、大野

応用物理86, 565 (2017)23SOT-MRAMチップ試作状況
東北大学 VLSI2020
https://www.tohoku.ac.jp/japan
ese/2020/06/press2020061601-sot-mram.html

TSMC&ITRI IEDM2023
22-4 High RA Dual-MTJ SOT-MRAM
devices for High Speed (10ns)
Compute-in-Memory Applications

IMEC IEDM2023
31-3 Ultimate MRAM Scaling: Design
Exploration of High-Density, HighPerformance and Energy Efficient
VGSOT for last level cache39-3 Scaling the SOT track – A path towards
maximizing efficiency in SOT-MRAM

Voltage-gated SOT-MRAM

容量：4kB
書き込み速度：10 ns
保持時間： 10 years

書き込み速度：10 ns
保持時間： 10 years

First proposal: H. Yoda et al IEDM 201610.1109/IEDM.2016.7838495

垂直磁化型MTJ
書き込みエネルギー：<100 fJ/bit
繰り返し耐性：> 101524

本日のアウトライン

1. スピントロニクスとトンネル磁気抵抗(TMR)効果
2. 磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ (MRAM)の開発状況
・ 電流磁界型MRAMからスピントランスファートルク(STT)-MRAMへ
３．次世代型MRAMへの取り組み
・ スピン軌道トルク(SOT)-MRAM
・ 電圧駆動型(VC)-MRAM
４．まとめ25

電圧駆動型(VC)-MRAMの狙い
電流制御
電流磁界型MRAM

STT-MRAM
SOT-MRAM

電圧駆動型(VC)-MRAM

電圧による新しいスピン制御

低書き込みエネルギー~ 100 pJ/bit~ 100 fJ/bit~ 1 fJ/bit (SRAM並み)

100 µA1V~ 107 kBT10 ns 情報保持に必要なエネルギー(60kBT)の105倍！

26

電圧磁気異方性制御(VCMA: Voltage-controlled magnetic anisotropy)

超薄膜
強磁性記録層+ ++++tFeCo
0.58 nm-V
V=0+V-1000 -500

- - - - -0500

1000

垂直磁界 (Oe)
磁気エネルギー

H

垂直磁化成分(a.u.)

要素技術

T. Maruyama, T.N. et al. Nat. Nanotech. 4, 158 (2009)
Y. Shiota, T.N. et al. Appl. Phys. Exp. 2, 063001 (2009)

磁化方向-V+V

KPMA
27
KPMA：垂直磁気異方性エネルギー

電圧磁気異方性制御(VCMA: Voltage-controlled magnetic anisotropy)

要素技術

UltrathinFeCo alloy(a few MLs)

+ ++++- - - - -垂直磁気異方性エネルギー (µJ/m2)

H

T. Nozaki et al. Appl. Phys. Lett. 96, 022506 (2010)
Y. Shiota, T.N. et al. Appl. Phys. Exp. 4, 043005 (2011)
8075
7065605550

傾き: VCMA効率-30 fJ/Vm
-400

-200

0200400

印加電界 (mV/nm)
28

VCMA効果の物理起源～スピン軌道相互作用～
電子自身の軌道運動により発生する磁界がスピン磁気モーメントと相互作用する相対論的効果
電子の軌道運動機構1

視点を変えると・・・

界面電子数変化機構2電子分布の変形

電圧印加
上部電極
電子雲

電圧印加
上部電極
MgO

MgO

垂直磁気異方性減少
M. Tsujikawa et al. PRL 102, 247203 (2009)
K. Nakamura et al. PRL 102, 187201 (2009)

垂直磁気異方性増大
S. Miwa, T.N. et al. Nat. Commun. 8, 15848 (2017)29 (2019)
S. Miwa, T.N. et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 52, 063001

VCMA効果を利用した電圧ダイナミック磁化反転
準静的過程

ダイナミック過程

V=0

V=0

静電圧印加

高速パルス電圧(<1 ns)

V=0

V=0

∼50%

∼50%

2値状態を制御できない

100%
30

VCMA効果を利用した電圧ダイナミック磁化反転
Y. Shiota, T.N. et al. APEX 9, 013001 (2016.)(τpulse = 1 ns, Vpulse =- 1.2 V )

cap

電圧制御
記録層

W (2 nm)
Fe80B20 (1.8 nm)
MgO RA ≈ 100 Ωμm2(CoFe)80B20

参照層[Co/Pt]nRuRu[Co/Pt] nHext

Resistance (kΩ)

電圧制御型垂直磁化 MTJ

60504030

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

印加パルス数
1 nsの高速書き込みを数fJ/bitで実現！
31

VCMA効果を利用した電圧ダイナミック磁化反転
Y. Shiota, T.N. et al. APEX 9, 013001 (2016.)

磁化反転確率, Psw

1.0
①③

0.5

0.0

②④0

12

345

パルス時間幅 (ns)①②③④32電圧誘起ダイナミック磁化反転の利点と課題
利点

PMA
電圧制御型MRAMのメリットと課題

1. 高速スイッチング (<数ns)
2. 低書き込みエネルギー (～数fJ/bit)
3. スイッチングトランジスタの縮小
4. 高MR、高耐電圧、高繰り返し動作耐性(厚膜バリア)
5. 書き込み・読み出しバイアス極性の分離+V-V

読み出し書き込み

課題-V+V

1.0Switching probability, Psw

1. スケーラビリティー実証
2. 低書き込みエラー率の実証
3. トグルスイッチング
プリリード、リードベリファイが必要
4. 高抵抗素子の高速読み出し
5. 無磁界化、パルス幅依存性の緩和

0.50.001234Pulse duration time (ns)533

VC-MRAMのスケーラビリティー実証に向けた材料開発
IrドーピングによるVCMA増強(単結晶素子)

Cache memory

Ir-doped Fe

HAADF-STEM image

100
CoFeB/MgO系

係数

Polycrystal
Epitaxial

10-0.5

Ir

0.0

0.5

1.0

1.5

0.36

2.0

垂直磁気異方性エネルギー(mJ/m2)
多結晶MTJにおけるVCMA効率向上が重要

KPMAtfree (mJ/m2)(fJ/Vm)

1000

VCMA

T. Nozaki et al. NPG Asia Mater. 9, e451 (2017)
T. Nozaki et al. APL Mater. 8, 011108 (2020)

Main memory

0.32
0.28

-350 fJ/Vm

0.24
0.20
-500 -400 -300 -200 -100

0100 200 300 400 500

Electric field (mV/nm)

34

量産用多結晶MTJの高VCMA化

300mmウェハ対応スパッタ装置
EXIM (東京エレクトロン)
スパッタ
カソード

スパッタ
カソード
ウェーハ回転成膜
静電チャック

φ300mm
ウェハ

ヘリウム
冷凍機

ウェハ冷却回転成膜チャンバ
100 K以下の冷却成膜が可能

CoFeB
MgO
CoFeB
TaB

垂直磁気異方性エネルギー (mJ/m2)

T. Nozaki et al. APL Mater. 11, 121106 (2023)
0.18
0.16
0.14
0.12
0.10
0.08
0.06
0.04
-400-2000200400

印加電界強度 (m V/nm )低温成長による平坦かつ清浄な界面構造の形成⇒ 多結晶系で最高値のVCMA効率-140 fJ/Vmを達成
35

VC-MRAMチップ試作状況
https://www.mram-info.com/

IEDM2023 10.1109/IEDM45741.2023.10413670
Write: 0.7 ns
Read: 8.5 ns
Endurande: > 1011
VCMA係数: 48 fJ/Vm

36各種メモリベンチマーク
不揮発性書込み
時間

書込み
電力

書き換え耐性

セル面積

SRAM×~ 1ns~ 1 fJ/bit> 1015> 100 F2

DRAM

×～10 ns<1 pJ/bit> 1015

6 F2

PCRAM

○~ 50 ns

~ 10 pJ/bit~109

4 ~ 30 F2

FeRAM○~ 20 ns~ 1 pJ/bit~1012

15 ~ 35 F2ReRAM○~ 10 ns~ 1 pJ/bit~1010

4 ~ 12 F2NAND Flash○>100 µs

~ 100 pJ/bit~ 105< 4 F2

STT-MRAM○~ 10 ns

0.05~1 pJ/bit

1010~1015

6 ~ 10 F2

市場開拓中

SOT-MRAM〇

0.1~few ns< 100 fJ/bit~1015

12 ~ 18 F2

基礎研究段階 +α

VC-MRAM〇

0.1~few ns~ 数 fJ/bit~1015

6 ~ 10 F2

基礎研究段階37

MRAMのターゲットメモリ階層

次世代・次々世代メモリ

高速・低消費電力性

高信頼性

アクセス
時間

容量

ALU
レジスタ

~ 1 ns30k–1MB

L1, L2キャッシュ（SRAM）< 10 ns~10–1GB

L3キャッシュ, LLC（SRAM）~ 30 ns> 1 ms>1GB>1TB

メインメモリ（DRAM）

SOT-MRAM
STT-MRAM
VC-MRAM

ストレージ（SSD(NAND), HDD）
クラウドストレージ、アーカイブストレージ（HDD, 磁気テープ）

38

まとめ MgOトンネル障壁を用いた強磁性トンネル接合(MTJ)における巨大トンネル磁気抵抗(TMR)
効果はGbit級の磁気抵抗効果型ランダムアクセスメモリ(MRAM)を実現
 MRAMの情報書き込みには様々な手法があり、電流磁界型MRAM、およびスピントランス
ファートルク(STT)-MRAMはすでに製品化。
 STT-MRAMの直近ターゲットはe-Flashおよびラストレベルキャッシュ用低速SRAM代替
課題は高速書き込みと高書き換え耐性の両立
 スピン軌道トルク(SOT)-MRAMは3端子構造MRAMであり、書き込みと読み出しを分離できるため、STT-MRAMのトリレンマを回避可能。低書き込み電流化と無磁界化が課題。
 電圧制御型(VC)-MRAMは不揮発性メモリでSRAM並みの書き込み電力実現に期待。
スケーラビリティー実証に向けたVCMA効率の増大と安定な書き込み手法の確立が課題。
39