米乐m6官方网站【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）自旋电子学研究中心【研究中心主任：汤浅真司】电压自旋电子学小组前研究员盐田阳一（现任国立大学法人京都大学研究生院理学研究科助理教授）和研究组组长野崎隆之正在研究电压写入磁存储器（电压扭矩MRAM)写入错误率
具有非常薄的金属磁体层（存储层）磁性隧道结器件（MTJ器件）在很短的纳秒时间内，磁化反转可以被诱导。这次我们对存储层的磁性能进行了优化，电压磁各向异性调制效率和耐热干扰性Δ 0从之前报告的值（10-2～10-3)低两个数量级以上(2×10-5）做到了。这允许一次纠错（验证）可以达到实际的写入错误率。电压写入方式原则上不需要电流，所以目前MRAM写入方式相比，可以大幅降低功耗。该成果有望加速高可靠性、高速度的超低功耗电压扭矩MRAM的研发。
此结果的详细信息将于 2017 年 7 月 13 日（美国当地时间）公布应用物理快报
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写入错误率与脉冲电压强度的关系
单脉冲 2x10 写入错误-5（蓝星）。 |
随着超级智能社会的到来，降低IT设备的功耗已成为迫在眉睫的问题。例如，在移动IT设备中，CPU和内存的功耗占总功耗的30%~40%，需要进一步降低功耗，让充电无压力。一种方法是开发非易失性电子设备。在自旋电子学领域，利用磁化的非易失性功能，正在开发一种零待机功耗的非易失性存储器MRAM。然而，目前世界范围内正在开发的MRAM使用电流写入方法，并且由于电流产生的热量导致的不必要的功耗成为降低驱动功率的障碍。
另一方面，电压扭矩MRAM具有超低功耗（原则上不需要电流）、纳秒量级的高速运行以及对重复操作的高耐久性等特点。因此，它有望被用作下一代MRAM，但降低写入错误率一直是一个问题。可以通过重复验证来降低写入错误率，但是为了同时实现更高的可靠性和高速，需要降低由于单个脉冲而导致的写入错误率。
AIST 一直在自旋电子学领域进行世界一流的研究和开发。利用这些经验，我们正在研究和开发电压扭矩MRAM。我们与国立大学法人大阪大学工程科学研究生院铃木义重教授合作，对厚度为几个原子层的金属磁体薄膜施加电压，以控制磁化方向（磁各向异性）。电压磁各向异性控制我一直致力于技术开发 (AIST 新闻稿 2012 年 5 月 1 日等）。我们还利用它开发了一种新的磁化反转控制方法，并实现了单脉冲写入错误率 4×10-3被实现了(2015 年 12 月 10 日 AIST 新闻稿）。此外，通过设计脉冲电压的波形，我们开发了一种可以减少写入错误的新写入方法及其所需的新电路（AIST 的新闻公告，2016 年 12 月 5 日）。尽管可以通过重复验证来降低写入错误率，但是为了同时实现更高的可靠性和高速，降低使用单个脉冲的写入错误率是非常重要的问题。
此前，模拟预测，为了降低电压-扭矩MRAM中的写入错误率，为MTJ元件的存储层提供高热干扰电阻并施加足够强的电压以将其抵消将是有效的。然而，传统的 MTJ 元件对热干扰的抵抗力较低，这限制了降低错误率的能力。因此，本次我们改进了作为存储层的超薄金属磁体层的制造工艺，开发出兼具高抗热干扰性和高电压磁各向异性调制效率的存储层，并致力于降低单脉冲写入错误率。
本次研究开发是内阁府“创新研究开发推进计划（ImPACT）”研究开发项目“实现无需充电即可长时间使用的终极生态IT设备”（项目负责人：佐桥雅史）的一部分，并得到了日本学术振兴会青年科学研究补助金A（项目编号：JP16H05977）的部分支持。
用于图1垂直磁化型MTJ元件及电压写入方法示意图。基本结构是存储层/绝缘层/磁化固定层，存储层的铁钴合金非常薄，大约几个原子层，因为磁各向异性是由电压控制的。该元件的磁化仅在施加电压时旋转，因此当恰好旋转半周后关闭电压时，旋转停止，磁化反转，并对存储器进行写入。
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| 图1脉冲电压磁化反转示意图 |
这次，我们优化了记录层中铁钴合金的成分比和热处理温度。如图2所示，铁钴合金的钴成分为31at%，250℃热处理时最大值垂直磁各向异性能量。结果，热干扰电阻Δ0的 MTJ 元素是传统元件的14倍，并且能够通过电压实现磁化反转，即实现了写入。
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| 图2 不同成分的铁钴合金的垂直磁各向异性能量和电压磁各向异性调制效率的热处理温度依赖性 |
接下来，根据由电压引起的写入操作之后的元件电阻的变化来确定磁化反转的成功或失败，并且重复该过程以评估写入错误率。图3显示了写入错误率和电压施加时间（电压脉冲宽度）之间的关系。当施加电压刚好达到磁化旋转半圈所需的时间时，写入效率很高，并且在脉冲电压强度为156 V时，写入错误率为2×10-5（图 3 中的星号标记）。另一方面，电压-磁各向异性调制率相同，热干扰电阻Δ0使用大约2/3的存储层评估了MTJ元件的写入错误率，发现写入错误率为10-3附近，因此认为提高抗热干扰能力是降低写入错误率的关键。
这次，我们改进了MTJ元件存储层的特性，将写入错误率降低到之前报道值的1/200。这仅通过一次验证运行即可提供实用的写入错误率目标10-10此外，与需要多次验证的传统器件相比，写入时间缩短，使得写入时间小于10纳秒，有望应用于高可靠性、高速度的超低功耗电压扭矩MRAM。
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| 图3 写入错误率与电压施加时间之间的关系（脉冲电压强度= 156 V） |
除了开发新材料以进一步降低写入错误率外，我们还将改善特性变化以实现实际设备上的稳定写入，同时继续开发电压扭矩MRAM的电路技术。