成果報告書詳細
管理番号20110000001398
タイトル平成18年度~平成22年度成果報告書 スピントロニクス不揮発性機能技術プロジェクト(4)
公開日2011/12/13
報告書年度2006 - 2010
委託先名株式会社東芝
プロジェクト番号P06016
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約 東芝は産業技術総合研究所、東北大学、大阪大学、電気通信大学と共同で、ギガビット級の不揮発ランダムアクセスメモリーの実現を目指し、スピンRAMの心臓部である低電力磁化反転TMR素子技術を開発した。最大の課題である書き込み電流を低電流化するためには、垂直磁化を持つTMRが必須と考えた。そのため、まず大きな磁気異方性エネルギーKu をもつFe 系の材料を中心に記憶層材料の探索を行った。
 高Ku材料によるスピン注入磁化反転を評価するために、FeCoTb系素材を用いてTMR素子を作製し、10MA/cm2未満の反転電流密度Jcでスピン注入が起きることを確認した。さらに高Ku~FeX系素材について、さらなるJc低減の観点も含め材料の探索を行った。垂直磁化TMRでJcを低減するためには、高Ku の記憶層をベースにして、αdamp低減に留意する必要がある。そこで、αdampの小さな材料を探索した。その結果、αdampを従来材料のそれに比べて1/5程度に低減できる素材FeX’を見出した。また、αdampはKuに比例することを見出し、Kuを適正値に設定した。上記で見出したFeX’素材を用いてTMR 素子を作製する技術を構築し、0.3MA/cm2のJcを実現した。この実現においては特に記憶層材料の薄膜化と低αdampを両立する記憶層の成膜プロセスを工夫した。
 高Ku-FeX素材を用いて、高MR化、およびトンネル障壁の信頼性向上の観点から、積層構造の最適化を行った。まずは、TMR積層膜の平滑化を検討し、下地材料を工夫することにより、その平滑性などを大幅に向上し、高抵抗ではあるが100%の高MR化を達成した。次に、MgOトンネル障壁の信頼性の改善を検討した。積層構造を最適化することにより、従来比1000倍の信頼性を確保した。さらに、産総研と連携した成膜プロセスの改善により、1Gbit級で10年間の障壁寿命を確保した。
 CMOS回路と整合するTMR素子の開発として、低抵抗化、TMR比向上、シフト補正層付与、素子の微細化等、各パラメータを適切なものとする開発を行った。実用材料を用いて低抵抗化を行い、RA~10Ωμm2の低抵抗で196%のTMR比を達成した。RA~10Ωμm2にまで低抵抗化したTMR素子において、反転電流が約20μAと低電流化できることを確認した。次にビットの安定化のためのシフト補正層膜を開発、TMR素子に積層形成する技術を構築し、シフト補正層付与した素子を作製した。さらに、0.002μm2(50nm直径)微細TMR素子の作製を行った。
 記憶層・参照層材料の高度化技術の開発として、トンネル障壁の形成プロセスを工夫し、垂直磁化TMR膜で世界最高の202%の高TMR比 を実現した。
 これら技術を統合し、1Mbit アレイおよび64Mbitアレイの試作し、64Mbit素子アレイでは、動作実証を行なった。また、これら大規模アレイを用いたTMR素子の開発を行い、統計的なデータ解析に基づく作製プロセス改善により、抵抗分布の改善、保持力ばらつきの改善を実現した。
 以上により最終目標を達成し、TMR素子の基盤技術の確立をすることができた。
英文要約 This project is aimed to develop a low power magnetization switching TMR technology, which is a key to realize a non-volatile gigabit-class random access memory. Toshiba successfully completed this project, in cooperation with the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Tohoku University, Osaka University and the University of Electro-communications.
The biggest technological issue for this purpose was how to reduce the switching current. In order to reduce the switching current, we focused on the perpendicular magnetization TMR. Firstly, we developed the iron based material for the TMR which has high anisotropic energy Ku. We fabricated TMR elements with FeCoTb and showed that a switching current density Jc is less than 10 MA/cm2. We also developed high Ku material for TMR whose constituent element is FeX. The current density Jc for the spin torque transfer switching depends on MR (Magnetoresistance) ratio, Ku, Ms (Saturation Magnetization) and damping constant αdamp. In order to reduce Jc, αdamp needs to be reduced with keeping high Ku. We found a material FeX’ whose αdamp is 1/5 of the conventional one. We also found that the αdamp is proportional to the Ku and set the Ku properly. We developed a process of forming a film of a storage layer and its adjacent layer. Using these technologies, we fabricated TMR elements and realized the Jc as low as 0.3MA/cm2.
We also improved the reliability of MgO tunnel barrier. We improved the film structure and extended the life time of the barrier 1000 times longer than before. We achieved 10 years barrier life time for 1Gbit array by improving the film forming process.
In order to integrate the TMR to a CMOS circuit, we developed the TMR of low resistance and high MR ratio. We reduced the resistance of the tunnel barrier using a practical material and achieved MR ratio of 196% with a low resistance as RA~10Ωμm2. We also achieved the switching current about 20uA with the TMR of RA~10Ωμm2. We also developed the shift compensation layer, which cancels the stray field from the reference layer, and applied to the TMR element. We also developed the micro fabrication technology for the TMR. We fabricated the small TMR element whose size was 0.002μm2 (50nm in diameter). We further improved the storage layer and reference layer of the TMR and achieved the MR ratio of 202% which is the highest value in the perpendicular magnetization TMR.
We integrated these technologies and fabricated 1Mbit array and 64Mbit array. We demonstrated operation of these arrays. We analyzed the TMR data of these arrays statistically, and developed the process to reduce the deviation of the TMR resistance and the coercive field.
We achieved our final targets and successfully established the basic technology of the low power magnetization switching TMR element.
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