国立先进产业技术研究所[主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）新原理计算研究中心[研究中心主任：Shinji Yuasa]非易失性存储器团队研究员山本龙也，研究团队负责人野崎隆之等人正在使用在原子层控制的钽磁阻存储器（以下简称“MRAM'')磁稳定性
电压磁化控制技术，利用电压来控制由铁磁金属制成的磁存储层的磁化，作为降低MRAM功耗的关键技术而受到关注。电压写入方式MRAM（以下简称“电压驱动MRAM'')的磁存储层非常薄，大约1纳米（百万分之一毫米）厚，因此当在布线过程中暴露于接近400℃的高温时，它会与电极材料混合，提高磁稳定性，这是记忆性能的指标。电压磁化控制效率（以下简称“防治效率”）显着降低。这次，我们使用钴铁硼（CoFeB）合金作为磁存储层，它几乎与CoFeB混合氧化镁 (MgO)作为金属电极和金属电极之间的扩散防止层，我们成功地阻止了原子扩散，这是降低磁稳定性和控制效率的因素。他们还发现，通过使用只有一个原子的钽（Ta）层作为CoFeB层的基底，堆叠膜的平坦度得到显着改善，从而可以形成磁化方向一致的磁存储层。采用我们开发的磁存储层的电压驱动型MRAM可以将写入时的电流抑制到最大限度，因此可以最大限度的抑制写入时的电流，所以目前主流的电流写入型MRAM（以下简称“STT-MRAM9098_9187材料学报
新开发的磁存储层的透射电子显微照片（上）和存储层磁化示意图（下）
磁阻存储器MRAM是一种非易失性存储器，不需要电力来维持写入信息，具有较高的读/写速度，并且具有出色的重写耐久性，因此从降低IT设备功耗的角度来看，它受到了关注。特别是，磁隧道结 (MTJ) 元件组成的存储元件写入信息，驱动功率可比目前主流产品开发的STT-MRAM降低几个数量级，因此电压驱动MRAM的开发很可能符合Society 50或大脑形态系统它是降低存储元件功耗的关键。然而，其实际应用需要提高磁稳定性和控制效率。
AIST一直在研究和开发使用电压的磁化控制，以评估MTJ元件磁化反转控制的写入稳定性（AIST 新闻稿，2015 年 12 月 10 日）和通过电路模拟验证存储器操作（AIST 新闻稿，2016 年 12 月 5 日)，并在电压驱动MRAM的实际应用研究方面处于世界领先地位。此外，2017年，我们在单晶衬底上外延生长的单晶MTJ元件中成功实现了磁稳定性和控制效率，满足电压驱动MRAM的商业化目标（AIST 新闻公告 2017 年 12 月 1 日）。然而，为了降低量产过程中的制造成本，希望使用多晶MTJ元件，并且需要开发用于量产膜沉积设备的新材料和工艺。
电压驱动 MRAM 通过使用电压控制 MTJ 元件的磁化来记录信息。隧道磁阻 (TMR) 效应阅读信息。磁存储层的磁稳定性对于保持信息的非易失性非常重要，并且需要大的TMR才能高速且无错误地读取数据。为了改善这两个特性，多晶MTJ元件在制造叠层薄膜后必须进行热处理，但由于电压驱动MRAM的磁存储层非常薄，为1纳米（百万分之一毫米），因此即使混入最少量的异物元素也会使特性完全恶化。迄今为止，AIST已生产出2×10-5虽然写入错误率低于(AIST 新闻公告 2017 年 7 月 12 日)，此时的热处理温度比较低，为250℃，半导体晶体管（CMOS晶体管）布线过程中预期的 400°C 热处理的器件。事实上，当磁存储层直接形成在金属电极上时，实际上不可能完全防止电极材料的原子扩散。这次，我们使用量产薄膜沉积设备开发材料，并致力于开发具有大TMR并且即使在400℃热处理后仍保持高控制效率的多晶MTJ元件。
这项研究开发是新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托开展的“利用电压驱动非易失性存储器的超节能脑拟系统的研究开发（JPNP16007）”委托工作的成果，并得到了日本学术振兴会青年科学家补助金（JP18K14118）的部分支持。
图1显示了新开发的多晶磁存储层的横截面的透射电子显微照片和元素图。此前，CoFeB层是直接在金属电极上制作的，但这次，在用作扩散防止层的1纳米厚的MgO层上制作了CoFeB层和用作隧道势垒层的MgO层。这些层压薄膜在制造后在300℃下进行了热处理，但用作上下金属电极的Ta的扩散被两层MgO层阻挡。然而，如图 1（上）所示，MgO 层上的 CoFeB 亲和力较低，导致层结构不均匀。因此，为了提高亲和力，在下层 MgO 层和 CoFeB 层之间插入极薄的 Ta 层。为了尽量减少 Ta 混入 CoFeB，我们在原子层水平上控制了膜厚，结果如图 1（底部）所示，仅插入一层 Ta 就获得了显着的平坦度改善效果。
图1磁存储层的透射电子显微照片和元素图
随后，测量所制作的磁存储层的磁化强度，结果示于图12中。如果不插入Ta层，则由于CoFeB层的不均匀形状而难以对准磁化方向，并且无论垂直施加磁场还是面内施加磁场，磁化强度的变化都变得平缓。另一方面，在通过插入Ta层而平坦化的磁存储层中，利用小磁场在垂直方向上获得非常急剧的磁化强度变化，并且在CoFeB层内磁化强度在垂直方向上排列的状态稳定。
图2 磁存储层的磁化测量结果。红线和黑线分别表示通过在磁存储层的垂直方向和面内方向上施加磁场而获得的测量结果。
通过用 CoFeB 层替换上电极来制造 MTJ 元件，评估 TMR 和控制效率的结果如图 3 所示。在传统 MTJ 元件中，磁存储层直接形成在金属电极上，因此 400°C 的热处理会降低 TMR 并将控制效率降低到几乎为零。另一方面，即使在400℃热处理后，新开发的MTJ元件与250℃热处理相比仍保持近60%的控制效率，并且由于CoFeB结晶的促进，TMR增加了一倍以上。这样，通过将原子层控制的Ta应用于MgO/CoFeB/MgO夹层结构，我们能够在磁稳定性、TMR、控制效率和热处理耐受性方面获得超越传统MTJ元件的性能。
图3 使用原子层控制Ta的MTJ元件与传统元件的特性比较
未来，我们将评估磁存储层的电压写入特性并验证其作为存储器件的操作。此外，此次开发的磁存储层和工艺技术不仅可以应用于电压驱动型MRAM，还可以应用于电流写入型MRAM。未来，我们将广泛将原子层控制技术应用到新材料中，并进行旨在进一步提高MTJ元件特性的研发。