スピン注入型MRAMの不都合な真実：福田昭のストレージ通信（36） 次世代メモリ、STT-MRAMの基礎（14）（2/2 ページ）

STT-MRAMの基礎を解説するシリーズ。最終回となる今回は、磁気トンネル接合（MTJ）を構成する固定層や磁性層に焦点を当てる。スピン注入型MRAMのMTJは、47層もの層で構成されている。これほどの層が必要なのにはきちんとした理由があるのだが、実は同時にそれがSTT-MRAMの弱点にもなっている。

[福田昭，EE Times Japan]

単層では、磁化の固定と電子スピンの偏極を両立しづらい

　これほどまでに複雑で精密な多層膜を必要とする大きな理由は、固定層が2つの役割を担わなければならないことだ。1つは磁化の固定であり、もう1つは電子スピンの偏極である。磁化の固定については既に説明した。電子スピンの偏極とは、電子スピンの向きを「上向き」あるいは「下向き」にそろえる（偏らせる）ことである。なおここで「上向き」とは、上向きの磁気モーメントを発生するスピンを意味する。このような働きをする素子を「スピン偏極子（spin polarizer）」と呼ぶ。スピン注入による磁化反転を起こす電流の密度を低くするためには、電子スピンが偏極していることが望ましい。

　スピン偏極子の効果を高めるには、スピン偏極を起こす層はなるべく厚くしたい。一方で磁化を固定する層は、なるべく薄くしたい。両者は矛盾するため、CoFeBの単層でこれらの条件を両立することは困難である。そこで磁化固定層とスピン偏極子層を分けて成膜し、両者を結合層で接続する、という形で層数を増やして役割りを分担するようになった。

固定層における2つの役割り。電子スピンの偏極（spin polarizer）と磁化の固定（fixer layer） （クリックで拡大） 出典：CNRS

原子層オーダーの超多層膜を低コストで製造できるか

　上記の事実を考慮すると、固定層は「固定層」ではなく、「参照層」とでも呼ぶべきだと分かる。「参照層」（多層膜）の中に「固定層」と「スピン偏極子層」がある、という構成である。

　磁性体中の磁気モーメントは本質的に動きやすい。このためMTJ素子の設計では、磁気モーメントをしっかりと固定する多層膜の構成にかなりの努力が費やされる。

　垂直磁気記録方式のMTJ素子を例にとると、いくつもの条件を満足するように工夫がなされている。トップ側を固定層、ボトム側を自由層としてトップ側から層構成を見ていこう。トップ側は多層膜の固定層である。例えばコバルト（Co）と白金（Pt）の多層膜を使う。結晶配向は面心立方の（111）である。磁気異方性係数は非常に大きく、また減衰（ダンピング）定数（α）も大きくする。

　多層膜の下にはスピン偏極子層がくる。ここで問題となるのは、スピン偏極子層と固定層では結晶配向が異なることだ。スピン偏極層からボトム側の各層は、結晶配向が体心立方の（001）なのである。そこでタンタル（Ta）のスペーサ層を挟むことで、結晶配向の違いを緩和する。

　スピン偏極子層は、電子スピンを偏極させることの他に、磁気抵抗比（MR比）を最大化するという重要な役割りを担う。材料は強磁性体のコバルト鉄ホウ素（CoFeB）合金である。

　スピン偏極子層の下はトンネル障壁層である。材料は酸化マグネシウム（MgO）結晶、結晶配向は体心立方の（001）である。トンネル障壁層に続くのは自由層であり、材料はCoFeB合金、結晶配向は体心立方の（001）となる。自由層にはMR比を大きくすることと、ダンピング定数を低くすることが求められる。

垂直磁気記録方式MTJの構造と役割り分担（クリックで拡大） 出典：CNRS

　上記で説明したようにスピン注入MRAMの最大の弱点は、MTJ素子の異常ともいえる複雑さにある。競合と目される抵抗変化メモリ（ReRAM）と相変化メモリ（PCM）の記憶素子は構造は簡素であり、MTJ素子の複雑さとは比較にならない。このことは、製造コストを下げなければならない半導体メモリでは、重要なファクターだ。

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