Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

スピントロニクス / 不揮発性メモリ / スピン注入磁化反転 / 磁性ランダムアクセスメモリ / 熱アシスト磁化反転

本年度は、熱アシスト効果を用いたMRAM書き込み方式の高速化を検討するため、高出力パルスYAGレーザを用いた記憶セルの高速加熱、及び熱拡散過程における磁化復元特性を詳しく調べた。記憶セルには、比較的強磁性秩序温度が低く垂直磁化特性を有するアモルフアスTbFe膜を用いた。従来のMRAMでは、基板内配線へのパルス電流印加により書込み磁界を発生させるが、配線のインダクタンス、および浮遊キャパシタにより、1ナノ秒以下の短パルス化が困難である。そこで、このような問題を解決する手段として、温度変化のみでMRAMセルの磁化を反転させる新たな書込み方式を提案し、その基本動作特性を計算機シミュレーションより調べた。以下、本研究で得られた知見を箇条書きにまとめる。
●ストロボスコピックな手法を用いて、パルス幅(50-50%)、パルス立ち上がり(10-90%)ともに1ナノ秒のパルスYAGレーザをTb-Feドット(50μm×50μm×20nm)に印加した際の磁化変化を異常ホール効果測定により調べた。その結果、レーザ照射によるMRAMセルの到達温度が高いほど熱拡散時間が長くなることが分かった。今回試作した素子では、レーザ強度の最適化により10ナノ秒オーダの熱アシスト書込みを実現できた。熱アシスト書込みのセル加熱温度は、キュリー温度場程度が最適である。
●T_cが低くハードな垂直磁化膜(TbFe)とT_cでソフトな面内磁化膜(CoFe)を交換結合させた複合膜記憶セルについて、セル温度をハード膜のT_c以上にパルス的に上昇させた後の磁化緩和過程を計算機シミュレーションにより調べた。その結果、垂直磁化膜の磁化を複合膜の面内交換等価磁界で歳差運動させることが可能であること、および加熱パルス時間によりハード層の磁化方向をスイッチングできることを見出した。この結果は、外部磁界を用いず、記憶セルの加熱のみによって磁化反転できることを示しており、熱アシスト書き込みの高速化を実現するための新たな手段として期待できる。
●困難軸方向のスピンを有するスピン電流を注入することによるプリセッショナル磁化反転に関してマイクロマグネティクス計算を行い、熱アシストによる書込み電流低減効果を定量的に評価した。

スピントロニクス / 不揮発性メモリ / 書き換え可能論理動作回路 / 磁性ランダムアクセスメモリ / 不揮発メモリ

記録情報の安定保持を担う記録層と低磁界での磁化反転を担う駆動層を、複数の磁性層により構成し、これらを磁気的に結合した機能分担型磁性不揮発メモリについて、材料探索、評価素子試作、動作実験、機能動作解析等の研究を総合的に行い、テラビット級高速磁性不揮発メモリの実現に資する以下の成果を得た。
1)記録層と駆動層の結合機構として、パターン端部磁極間静磁気結合と界面交換結合を利用する2方式についてシミュレーションによる比較検討を行った結果、駆動層から記録層へのトルク伝達性に優れた後者が、微小セルにおいても良好な機能分担特性を実現できることを明らかにした。
2)上層の機能動作用導体パターンをマスクとして下層の磁性多層膜細線をドライエッチングする自己整合型プロセスを開発し、最小パターン幅200nmのクロスポイント(CP)メモリ素子を試作した。素子の磁気抵抗測定より、静磁気結合に起因する特徴的な磁化反転特性を検証し、同結合が記録層の磁化反転磁界を著しく低減可能であることを明らかにした。
3)軟磁性CoFe層(駆動層)と硬磁性TbFe層(記録層)を交換結合させたメモリセルの基本動作実験を行い、導体パターンからのジュール加熱によるTbFe層の磁気異方性低減効果により磁化反転磁界が顕著に低減されることを実証した。また、高速動作評価として集束レーザビーム照射によるパルス熱励起を試み、同様の反転磁界低減効果を検証した。
4)マクロスケールモデルを導入した有限温度磁化過程解析プログラムを新たに開発して、熱アシスト磁化反転過程の詳細を明らかにし、効果的な機能分担機能を発現するための各層磁気特性、層構成、層間交換結合強度等に関する設計指針を確立した。また、100nmサイズの機能分担型垂直磁化記憶セルの設計及び動作シミュレーションを行い、実用的な情報安定性と低電力性を検証した。

【研究分担者】
能崎幸雄	九州大学	大学院・システム情報科学研究院	助手	(Kakenデータベース)