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0.5nsで書き換え可能な不揮発性メモリの動作実証――IoT時代のマイ...

0.5nsで書き換え可能な不揮発性メモリの動作実証――IoT時代のマイコン実現へ大きく前進 (庄司智昭,[EE Times Japan])

SRAMと同等のランダムアクセスが可能に

 東北大学電気通信研究所の大野英男教授、深見俊輔准教授らは2016年6月、0.5ナノ秒での情報の書き換えが可能な不揮発性磁気メモリ素子の動作実証に成功したと発表した。今回開発した磁気メモリ素子は、実用化が迫る2端子構造とは異なる3端子構造を有し、情報の書き換えにはスピン軌道トルク磁化反転を用いている。

 これにより、現行で最高クラスのSRAMと同等のギガヘルツクラスでのランダムアクセスが可能となり、超低消費電力性も兼ね備えた不揮発性メモリ素子の動作実証に成功した。IoT(モノのインターネット)時代に求められる、高度な演算をリアルタイムで処理できる超低消費電力マイコンの実現に向けて、大きく前進したという。

MRAMは30〜100メガヘルツ程度が限界

 IoT技術が今後さまざまな分野に適用される場合、情報処理端末の中枢を担うマイコンなどの集積回路には、超低消費電力性と高速動作特性の両立が求められる。

 超低消費電力性の実現には、集積回路中のメモリを不揮発化することが有効であり、これにより消費電力を100分の1以下に低減できることが示されている。しかし、顔認識や障害物検出などの複雑な処理をリアルタイムに行うには、揮発性のSRAMと同様にギガヘルツ級の周波数でランダムアクセスが可能であることが望まれる。

 これまでの研究開発では、「不揮発性メモリでSRAMのような高速動作を実現できるものはなかったが、磁気メモリ(MRAM)が有力候補といえる」(東北大学)とする。

 MRAMの磁性体は情報を不揮発に保持でき、無限回の磁化反転が可能。また、磁化のダイナミクスの典型的な時間スケールはナノ秒からピコ秒にあるためだ。しかし、実際には超高速に磁化を反転するのは容易ではなく、スピン移行トルクを用いて磁化反転を行う磁気メモリでは、情報の書き換えに要する時間と電流は反比例の関係にあり、高速で動かすためには大きな電流が必要となる。また、回路上の制約もあり、そのランダムアクセス周波数は実質的に30M〜100MHz程度が限界という。

 東北大のグループは、2016年3月に新しい磁化反転方式の動作を実証したことを発表している(関連記事:スピン軌道トルク用いた第3の新方式、動作を実証)。新しい方式では、スピン移行トルクとは異なる物理的起源によって発現する「スピン軌道トルク」が磁化反転を誘起する。しかし、スピン軌道トルクを用いた磁化反転は、従来構造の素子で超高速応用に適した磁化反転は確認されず、磁化反転に定常的な外部磁場や比較的大きな電流を要するといった、応用上の課題がいくつかあったとしている。

チャンネル層の材料とその成膜方法も新たに開発

 今回発表した磁気メモリは3端子型のセル構造を有しており、書き込みと読み出しで電流経路が異なっている。これにより、大きな動作マージンが得られ、回路としてのギガヘルツ級の超高速動作が可能となった。

 メモリ素子の情報の書き換えには、2016年3月に発表した新しい磁化反転方式が用いられ、チャンネル層であるタンタル(Ta)に電流を導入することで生ずるスピン軌道トルクにより、コバルト鉄ボロン(CoFeB)層の磁化方向を電流と平行、反平行方向で反転させて情報を記録。微細加工技術を用いて、従来構造と新構造のそれぞれの素子を試作して磁化反転確率の電流密度/パルス幅依存性を評価したところ、新構造の素子ではパルス幅を短くしても閾(しきい)電流密度は変化せず、0.5ナノ秒のパルスでも比較的小さな電流密度で確率100%の磁化反転を観測できたとしている。

 また、構造上の工夫を施すことで、高速性を犠牲にすることなく外部磁場なしでの磁化反転を実現した。磁化反転に要する電流密度を低減するため、書き込み電流を導入するチャンネル層の材料と、その成膜方法も開発している。

 開発した新材料を用いることによって、従来用いられていたTaと比べて閾電流密度を約半分に低減でき、1.9×1011A/m2という極めて小さな電流密度で、0.5ナノ秒のパルスを用いて500回中500回の磁化反転を観測することに成功したという。

 なお、今回開発した一連の技術を用いて90nmサイズの素子を作製した場合、情報の書き換えに要する電流は85μA、電圧は240mVとなる。

半導体集積回路の救世主にも?

 東北大学は「今回開発した磁気メモリ素子は、待機時だけでなく動作時の消費電力も低く抑えられることから、微細化の壁に直面している半導体集積回路の救世主にも成り得る可能性も秘めている」とする。

 同研究の成果は、内閣府が主導する「革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)」の研究開発プログラム「無充電で長期間使用できる究極のエコIT機器の実現」と、文部科学省「未来社会実現のためのICT基盤技術の研究開発」によって得られている。


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