Xnm世代プロセスに適合するiPMA Hexa-MTJを開発：CoFeBとMgOの界面数を6重へ

東北大学は、STT-MRAM向けの「6重界面磁気トンネル接合素子（iPMA Hexa-MTJ）」を開発した。iPMA Hexa-MTJは、Xnm世代のマイコン混載不揮発メモリに適用できる熱耐性や書き換え耐性を実現している。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

260℃でのデータ保持耐性や1000万回以上の書き換え耐性を実現

　東北大学国際集積エレクトロニクス研究開発センターの遠藤哲郎センター長らによる研究グループは2022年12月、STT-MRAM（スピントルク移行型磁気ランダムアクセスメモリ）向けの「6重界面磁気トンネル接合素子（iPMA Hexa-MTJ）」を開発したと発表した。iPMA Hexa-MTJは、Xnm世代のマイコン混載不揮発メモリに適用できる熱耐性や書き換え耐性を実現している。

　東北大学は、現総長の大野英男氏らが界面垂直磁気異方性（i-PMA）型MTJを発明。2010年には接合直径が40nmのMTJを動作させることに成功していた。このMTJはCoFeB（磁石層）とMgO（障壁層）の界面に生じる「i-PMA」とよばれる物理現象を、データ保持に利用する。

　その後、データ保持特性を改善するためi-PMAを2つ備えた「Double-MTJ」の開発や、Double-MTJを活用したSTT-MRAMの試作を行い、動作実証を重ねてきた。ただ、製造プロセスの微細化がさらに進むと、「十分なデータ保持特性を得るのが難しい」などの課題もあったという。

　そこで遠藤氏らの研究グループは、CoFeBとMgOを6重界面としたiPMA typeのHexa-MTJを開発した。ところが、Hexa-MTJでは絶縁膜のMgO膜が4層となり、素子の抵抗が高くなることや、熱揺らぎで磁化の向きを保持するのが難しいなど、いくつかの問題点も出ていた。

Double-MTJとHexa-MTJの素子構造 出所：東北大学

　これらを解決するため今回は、「抵抗が小さいMgO膜の開発」や「熱安定性が高く、温度依存性が小さい記録層の開発」「ダメージが少ないパターニングプロセスの開発」および、「熱安定性が高い参照層の開発」などに取り組んだ。

　これらの技術を用いて開発した25nmのMTJは、「20年間のデータ保持特性」や「260℃のソルダーリフロー耐性」「1000万回以上の書き換え耐性」「半導体プロセスに適合した400℃の耐熱性」について、同時に達成していることを確認した。

Double-MTJとHexa-MTJにおける、データ保持特性の温度依存性と書き換え耐久性能 出所：東北大学

今回の研究成果と従来研究との比較 出所：東北大学