国は半導体開発への投資を持続せよ。

＜東北大学は1月11日、直径桁nm領域でさまざまなアプリケーションの要求性能に応じてカスタマイズできる磁気トンネル接合(MTJ)素子を提案し、その材料・構造の設計指針を体系化したことを発表した。

　同成果は、東北大 電気通信研究所の五十嵐純太学術研究員(研究当時)、同・大学 材料科学高等研究所の陣内佛霖助教(研究当時)、同・深見俊輔教授、同・大野英男教授(現・総長)らの共同研究チームによるもの。詳細は、英科学誌「Nature」系のスピントロニクスに関連する全般を扱う学術誌「npj Spintronics」に掲載された。

今回の研究で提案された積層磁性層構造。データ保持特性を重視する場合、CoFeB層膜厚を厚くし、CoFeB/MgO層の積層回数を少なくすることで形状磁気異方性の割合を増やす。書き込み速度を重視する場合、CoFeB層膜厚を薄くし、CoFeB/MgO層の積層回数を増やすことで界面磁気異方性の割合を増やす(出所:東北大プレスリリースPDF)

　不揮発性メモリは、電源を切っても情報を保持できることから半導体集積回路の大幅な低消費電力化をもたらすとして車載、AI、IoTなどの用途で期待されており、現在、不揮発性メモリとしてスピントロニクスに基づく「スピン移行トルク磁気抵抗メモリ」(STT-MRAM)の製品化が進んでいる。
　同メモリにおいては、データの記憶を担う磁気トンネル接合(MTJ)素子の記憶層として、コバルト鉄ホウ素(CoFeB)層が酸化マグネシウム(MgO)層で挟まれた構造が用いられている。なお、素子のデータ保持特性は垂直磁気異方性と素子サイズに依存しており、この構造にて1Xnm世代の車載向け半導体集積回路で要求されるデータ保持特性が満たされているという。

今回の研究で作製された積層磁性層構造を有するMTJ素子の透過型電子顕微鏡とその膜構造の模式図(出所:東北大プレスリリースPDF)

し、さらに微細化が進んだ将来のX(1桁)nm・オングストローム(Å)世代の半導体集積回路で用いられるサイズのMTJ素子では、現行技術で車載、AI、IoTなどの要求性能を満たすことが困難であり、新たなブレイクスルーが求められていた。
　それに対し研究チームは、数々の研究成果を発表しXnm・Å世代のMTJ素子の高性能動作への道筋をつけてきており今回、現在主流となっているCoFeB/MgO材料系を変えることなく、直径XnmのMTJ素子を幅広い用途で要求される性能に応じてカスタマイズする材料・構造技術を詳しく調べることにしたという。
　今回の研究で提案された構造は、CoFeB/MgOからなる積層磁性層構造のCoFeB層の膜厚とMgO挿入層の数(積層回数)を変化させることで、界面異方性と形状異方性を独立に制御できることが特徴。CoFeB層膜厚を直径に対して厚くして形状磁気異方性が支配的に作用するように設計された構造は、高温でのデータ保持特性に優れる一方、CoFeB層を薄くしつつ積層回数を増やし、界面磁気異方性が支配的に作用するように設計された構造は、高速書き込み性に優れるという。
　研究で作製されたMTJ素子でのデータ保持特性および書き込み特性の評価結果によると、形状磁気異方性が支配的な構造ほどデータ保持特性の温度依存性を特徴づけるスケーリング指数が小さくなることが判明し、直径7.6nmの素子が作製され実際に150℃での十分に高いデータ保持特性が確認されたという。

　一方、書き込み速度は「緩和時間」で特徴づけられ短いほど高速での書き込みが可能であるが、界面磁気異方性が支配的な構造ほど短い緩和時間が得られており、実際に作製された直径4.5nmの素子において比較的高いデータ保持特性を示しながら、1V以下、10nsの電圧パルスでデータ書き換えを行えることが確認されたする。また、材料・構造を変えることにより、1V以下、1nsの電圧パルスでのデータ書き換えも実現可能であることが計算により予測されたとする。

今回の研究で作製されたMTJ素子に対して行われた、(a)データ保持特性の温度依存性を特徴づけるスケーリング指数、(b)高速性を特徴づける緩和時間の測定結果。(a)の破線は形状磁気異方性のみを考慮した場合のスケーリング指数の理論値。(b)の曲線は理論式によるフィッティング結果(出所:東北大プレスリリースPDF)

　今回の研究により、極微細MTJ素子において所望な特性を得るための材料・構造技術とその物理的理解が形成され、今後STT-MRAMが幅広いアプリケーションに展開されるための基盤的理解が構築されたという。また、今回開発された積層磁性層構造は、現在主流のCoFeB/MgO材料で実現できるため、大手半導体デバイスメーカーの既存設備で製造可能。そのため今回の研究で得られた成果は、幅広いアプリケーションでの将来の極微細世代半導体集積回路に向けたSTT-MRAM開発を加速することが期待されるとしている＞(以上「マイナビニュース」より引用)

「東北大、1桁nmプロセスのSTT-MRAMを実現する微細化技術を確立」という見出しを見ても殆どの人はピンと来ないかも知れない。そもそもSTT-MRAMとは何かが分からなければ始まらない。

　まずSTTとは「電子スピンによって磁性体層の磁気を反転させることを「スピントランスファートルク法」（STT）と呼ぶ」技術のことだ。そしてMRAMとは「MRAMとは、メインメモリなどに用いられるRAM（Random Access Memory）の一種で、磁力（磁気抵抗効果）を用いてデータを記憶する仕組みをもったメモリのことで」STT-MRAMとは「 STTをMTJで利用すると、電子スピンを利用しない通常のMRAMよりも消費電力を抑制できる利点がある。 MRAMよりも小型化でき、容量密度を高められる利点もある」というものだ。

　MTJ素子は「強磁性層の間に膜厚1 nm程度の絶縁体層を挟み込む構造をしていて、 この接合面に対して垂直に電圧を印加するとトンネル効果に因って絶縁体層に電流が流れる。 ここでは強磁性体1と強磁性体2が非常に薄い絶縁膜を挟んでおり、トンネル電流が流れるという状況を」利用した素子のことだ。

　またトンネル磁気抵抗効果（TMR効果）とは、2つの強磁性 体電極と薄い絶縁膜（トンネル障壁）からなる素子（TMR 素子）に磁界を加えると素子抵抗が変化する現象で、電 子の持つ電荷とスピン（磁気）の両方を活用する「スピン トロニクス」分野の最重要技術になっている。

　「DRAM」と「MRAM」の決定的な違いは何かというと、コンピュータのメインメモリに利用される「DRAM」（Dynamic Random Access Memory）と同様に「MRAM」にもデータ読み書き速度を実現したメモリだということだ。「磁気抵抗メモリ」（MRAM）は、データの保存に磁化（物体が磁気を帯びること）の状態を利用するストレージクラスメモリである一方、DRAMやNAND型フラッシュメモリはメモリセル（データ読み書きの最小単位である素子）に電荷を蓄積することでデータを記録する技術を採用しており、両者は仕組みが異なる。

　MRAMはDRAMよりもデータ読み書きが高速な「SRAM」（Static Random Access Memory）とほぼ同等の速度を実現できる。当然、NAND型フラッシュメモリの速度を大きく上回る。揮発性のDRAMやSRAMと異なり、電源供給がなくてもデータを失うことはないという特色を持っている。

　しかし一方で電子回路の微細化による集積度と高速化を追求するのとは別の角度から、PCの高速化を図ろうとする研究が進んでいる。それが量子コンピュータだ。専門誌に「量子コンピュータに新たな道を開くか、電子の飛行量子ビット動作を世界初実証」との見出しが躍っている。従来のロジックとは全く別次元の電子の動きを利用した演算装置が開発されようとしている。

　他の研究機関でも量子コンピュータの研究開発は進んでいて、世界各地から研究成果が発表されている。上記見出しは「NTTとフランスのCEA Saclay、NIMS、KAISTは、グラフェンのp-n接合と、ローレンツ波形の電圧パルスによって生成される単一電子源のレビトンを用いることで、電子の飛行量子ビット動作を世界で初めて実証したと発表した」という内容だが、詳しくは「MONOist」誌を見て頂きたい。

　専門的なブログになったが、しかし人類の未来にとって半導体開発は持続して投資し研究しなければならない課題だ。なぜなら今後ともAI化は進むだろうし、高度な社会形成に半導体の高性能化は欠かせないからだ。

　現在ではあらゆるところにマイコンが組み込まれている。学習する家電製品や自動車の電子制御は当たり前になっている。しかし未来はもっと多機能で人類の頭脳を補うほどのAIが汎用モーターのように生活のあらゆる場に組み込まれるようになるだろう。そうすることで、ミスをし時として誤った動作をする人類をサポートするだろう。ヒューマンエラーが過去のものになる時代がすぐそこまで来ている。