MRAM、参照層スペーサーにイリジウム採用：大容量化と大量生産を加速

産業技術総合研究所（産総研）は、磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）の性能向上や大量生産を可能とする参照層を開発した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

広範囲なスピントロニクスデバイスに応用可能

　産業技術総合研究所（産総研）スピントロニクス研究センター金属スピントロニクスチームの研究チーム長を務める薬師寺啓氏は2017年2月、次世代の不揮発性メモリといわれる磁気ランダムアクセスメモリ（MRAM）の性能向上や大量生産を可能とする参照層を開発したと発表した。

参照層のスペーサー層の厚さと強固さの関係 出典：産総研

　産総研は、電流書き込み型MRAM（STT-MRAM）の大容量化に向けて、高性能なTMR素子の発明や、東芝と共同で垂直磁化TMR素子ベースのSTT-MRAMを試作するなど、STT-MRAMの開発で業界をリードしてきた。ところが、微細加工技術が進化しTMR素子が小さくなると、構成要素の1つで記憶層情報の判定基準である「参照層」の強固さを確保するのが難しくなるという。

　そこで今回、薄膜積層技術をベースに、強固な参照層を実現するための研究開発に取り組んだ。開発した垂直磁化TMR素子は、参照層／トンネル障壁層／記憶層で構成され、各層の厚みは数ナノメートルである。特に、参照層は上部強磁性体層と下部強磁性体層の間にスペーサー層があり、その厚みは約0.5nmと極めて薄い。

今回開発した参照層を含む垂直磁化TMR素子断面の模式図と電子顕微鏡像 出典：産総研

　3層構造の参照層で、ルテニウム（Ru）やイリジウム（Ir）といった特定のスペーサー材料の厚みを約0.5nmと薄くした場合に、上下の強磁性層の磁化方向が逆向き（反平行）の磁化配置の状態では強固に結合（反平行結合）する。反平行結合が強い場合、参照層は強固になるため、結合の強さ（J_ex）を大きくする必要があるという。

　TMR素子の直径が20nm以下のMRAMでは、J_exが1.8erg/cm²を上回る必要がある。この数値は、これまでスペーサーに用いていたルテニウム（最大2.2erg/cm²）においても達成することはできるが、スペーサー厚を0.38〜0.48nmの範囲に制御する必要があった。

　イリジウムを用いるとJ_exは最大2.6erg/cm²となり、ルテニウムに比べ約20％増加する。しかも、J_exを1.8erg/cm²以上とするには、スペーサー厚を制御する範囲が0.38〜0.57nmと、ほぼ2倍に広がった。その分、厚みの制御が比較的容易となり、製造プロセスの面でも大量生産に有用となる。

参照層の上下強磁性層の反平行磁化結合を模式化した図 出典：産総研

　産総研は、スペーサー層にイリジウムを用いたSTT-MRAMを試作し、その性能評価を行った。その結果、データの読み出し特性（MR比）やデータの書き込み特性、耐熱性など各種特性は、ルテニウムを用いた製品と遜色はなかった。イリジウムを用いたことによる性能劣化は見られず、参照層を強固にすることができたという。

　今回開発したイリジウムスペーサーを含む参照層の技術は、あらゆる世代のSTT-MRAMや電圧トルクMRAM、さらにはスピントルク発振素子などにも応用できるとみている。