産総研、MRAMの磁気安定性を飛躍的に改善：極薄Ta層で磁気記憶層を平たん化

産業技術総合研究所（産総研）は、原子層レベルで制御されたタンタル（Ta）を下地に用いることで、磁気抵抗メモリ（MRAM）の磁気安定性を飛躍的に改善する技術を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

400℃で熱処理した後もTMRが大きく、高い制御効率を保持

　産業技術総合研究所（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と野﨑隆行研究チーム長らは2021年7月、原子層レベルで制御されたタンタル（Ta）を下地に用いることで、磁気抵抗メモリ（MRAM）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。

　不揮発性メモリであるMRAMは、記憶したデータを保持するための電力が不要であり、読み書きが高速で、書き換え回数など耐久性にも優れている。特に、電圧でMTJ素子の磁化を制御して情報を記録し、トンネル磁気抵抗（TMR）効果で情報の読み出しを行う電圧書き込み方式MRAM（電圧駆動MRAM）は、製品開発の主流となっている電流書き込み方式MRAM（STT-MRAM）に比べ、電力消費を大幅に抑えることが可能である。ところが、実用化に向けては磁気安定性や電圧磁化制御効率が課題になっていたという。

　産総研はこれまで、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しているが、この時の熱処理温度は250℃と比較的低温であった。そこで今回、量産成膜装置を用いて材料開発を行い、400℃で熱処理した後もTMRが大きく、高い制御効率を保持できる多結晶MTJ素子の開発に取り組んだ。

　電圧駆動MRAMの多結晶磁気記憶層は、これまで金属電極上に直接コバルト鉄ボロン（CoFeB）層を作製していた。これに対し今回は、拡散防止層となる膜厚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層を設けた。

今回開発した磁気記憶層の透過電子顕微鏡写真と記憶層中の磁化の模式図 出典：産総研

　これらの積層膜を作製した後には、300℃で熱処理を行う。この時、2つのMgO層によって上下の金属電極として用いるTaの拡散をブロックしている。ただ、MgO層上のCoFeBは親和性が低く、層構造が凸凹になる。そこで、わずか1原子という極めて薄いTa層を、下側のMgO層とCoFeB層の間に挿入することで、平たん性を改善したという。

磁気記憶層の透過電子顕微鏡写真と元素マッピング （クリックで拡大） 出典：産総研

　作製した磁気記憶層の磁化の測定を行った。この結果、Ta層を挿入しないと、CoFeB層の凸凹形状により磁化の向きがそろいにくく、面直・面内いずれの方向に磁場を印加しても、磁化の変化は緩やかであった。

　これに対し、Ta層の挿入により平たん化された磁気記憶層は、面直方向において小さな磁場でも極めてシャープな磁化変化が得られ、CoFeB層内で磁化が面直方向にそろった状態が安定化することが分かった。

磁気記憶層の磁化測定結果 出典：産総研

　山本氏らは今回、上部電極をCoFeB層に置き換えたMTJ素子を作製し、TMRおよび制御効率の評価を行った。従来のMTJ素子は、400℃で熱処理するとTMRが劣化し、制御効率はほぼゼロになった。これに対し、新たに開発したMTJ素子は、400℃で熱処理した後も250℃熱処理時の60％近い制御効率を維持し、TMRも2倍以上増えた。これはCoFeBの結晶化が促進されたためだという。

　今回の研究成果により、MgO／CoFeB／MgOサンドイッチ構造に、原子層制御したTaを適用すれば、磁気安定性やTMR、制御効率、熱処理耐性の全てについて、従来のMTJ素子を上回る特性が得られることが分かった。

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 出典：産総研

　研究チームは今後、磁気記憶層の電圧書き込み特性の評価を行い、メモリ素子としての動作検証に取り組む。開発した技術はSTT-MRAMにも応用することが可能だという。MTJ素子のさらなる特性改善にも取り組んでいく。