PRESS RELEASE (技術)

スピン注入型MRAMの小型化・高集積化を可能とする技術を開発

従来比で60%の小型化を実現し、次世代フラッシュメモリの代替デバイス実用化に前進

本技術の詳細は、米国ホノルルで6月15日（米国ハワイ時間）から開催されている半導体の国際会議「VLSI Technology Symposium」にて発表いたします。

開発の背景

携帯電話やPDAなど多くの電子機器では、ソフトウェアの書き換えが可能なことからフラッシュメモリ内蔵マイコンが利用されています。しかし、フラッシュメモリ内蔵マイコンに使われているNOR型フラッシュメモリは、近い将来、微細化の限界に達すると予想されており、その代替となる各種の次世代メモリの研究が行われています。

その次世代メモリの中でも注目を集めているスピン注入型MRAMは、磁性材料に電流を流すことで磁化の方向が反転する現象を利用した記憶素子です。電流を流した際に磁性材料の磁化の方向が平行になったり逆になったりすることで、素子が低抵抗と高抵抗になる現象を、デジタル情報の“0”と“1”として対応させることで、不揮発性の磁気メモリとして利用しています（図1）。

スピン注入型MRAMは、微細化に適しているほか、その高速性と低消費電力性から、NOR型フラッシュメモリの後継として期待されており、実用化に向けた研究開発が進められています。

図1. スピン注入型MRAMの原理

課題

スピン注入型MRAMで使われているMTJ素子は微細化が可能なのに対し、それに付随するセル選択トランジスタの小型化が課題となっていました。

スピン注入型MRAMのメモリセル回路は、どのMTJ素子に記録を書込む（読込む）かを選択するスイッチの役割をするセル選択トランジスタと、MTJ素子を接続した回路です。従来のメモリセル回路では、スピン注入型MRAMのMTJ素子に対して高抵抗（“1”）の書込み時には可変抵抗によって電圧が低下し、可変抵抗の影響を受けない低抵抗（“0”）の書込み時よりも、大きな書込み電流が必要になります。つまり、セル選択トランジスタの電流駆動能力の低い方で、大きな電流が必要となる高抵抗（“1”）の書込みをしなくてはなりませんでした。したがって、電流駆動能力が低い時でも、大きな書込み電流を確保するためには、セル選択トランジスタのサイズを大きくする必要があるため、小型化の妨げとなってしまいます。

図2. 従来のメモリセル回路

開発した技術

今回、MTJ素子の磁性体の順序を逆転させ、従来と異なるピン層、絶縁膜、フリー層からなるトップピン構造のMTJ素子を開発しました。しかし、トップピン構造のMTJ素子の絶縁層と下部電極の距離が近くなるので、加工の際にショート不良を生じ易くなります。この対策として、バッファー層を挿入して絶縁層と下部電極の距離を離しています。これにより、セル選択トランジスタの電流駆動能力が低い方向と、低抵抗（“0”）な書込みの出力方向が同じになるため、より小さいサイズのセル選択トランジスタでも機能することが可能となりました。

図3. トップピン構造を用いたメモリセル回路

効果

今回の技術により、メモリセル回路面積を従来の60%に小型化できました。これにより、スピン注入型MRAMの集積度を高めることが可能になり、実用化に向けた課題の1つを解決することができました。

今後

スピン注入型MTJ素子の微細加工技術の開発など、スピン注入型MRAMの実用化に向けた研究開発を推進していきます。

注釈

  注1 株式会社富士通研究所：

代表取締役社長 富田 達夫、本社 神奈川県川崎市。

  注2 不揮発性メモリ：

電源を切っても内容を保持できるメモリ。

  注3 スピン注入型MRAM：

Spin Torque Transfer Magnetoresistive Random Access Memory。磁性材料に電流を流すことで磁化の方向が反転する現象「スピン注入磁化反転」を利用したMRAM。

  注4 MTJ素子：

Magnetic Tunnel Junction（磁気トンネル接合素子）。磁気抵抗効果を持つトンネル接合素子。情報を記憶する強磁性層・原子数個程度の厚さの絶縁膜・電流により磁化の方向が変化しない強磁性層からなる。

本件に関するお問い合わせ

株式会社富士通研究所
ナノエレクトロニクス研究センター
電話： 046-250-8379（直通）
E-mail： nanoele-sttmram@ml.labs.fujitsu.com

---

プレスリリースに記載された製品の価格、仕様、サービス内容、お問い合わせ先などは、発表日現在のものです。その後予告なしに変更されることがあります。あらかじめご了承ください。