MTJの自由層に求められるもの：福田昭のストレージ通信（35） 次世代メモリ、STT-MRAMの基礎（13）（1/2 ページ）

自由層とトンネル障壁層は別々には扱えない

　国際会議「IEDM」のショートコースでCNRS（フランス国立科学研究センター）のThibaut Devolder氏が、「Basics of STT-MRAM（STT-MRAMの基礎）」と題して講演した内容を紹介するシリーズの第13回である。

　前回は、磁気トンネル接合（MTJ）を構成する主な要素である「トンネル障壁層」の役割と材料を解説した。今回は、MTJを構成する別の主な要素「自由層」を説明する。

　自由層は電子スピンの注入によって磁化の方向が変化する（反転する）層であり、データを記録する（書き込む）層でもある。自由層の磁化は、ある程度は低めの電流密度（厳密には伝導電子の密度）で反転することが望ましい。

　一方で、温度の熱エネルギーによって磁化反転が起こってはならない。ある程度は、磁化が固定されていることが望ましい。既に述べたように、磁化反転を防ぐエネルギー障壁である磁気異方性エネルギーは、温度とボルツマン定数の積（kBT）の60倍以上の大きさがあることが、10年のデータ保持期間を保証する条件となる。

　また、前回に述べたように、MR（磁気抵抗）比はなるべく大きくしたい。高いMR比はデータ読み出しのマージンを確保するために必要である。

　現在のところ、自由層に良く使われる強磁性材料は、コバルトと鉄、ホウ素の合金（CoFeB）である。CoFeB／MgO（トンネル障壁）／CoFeBの3層構造を、MTJの基本構造とする研究開発事例が多い。なおコバルトと鉄は強磁性体、ホウ素は反磁性体である。自由層とトンネル障壁層はいずれも、極めて薄い。厚みは2nm〜3nmくらいである。

コバルトと鉄、ホウ素の合金（CoFeB）と強磁性体層に、酸化マグネシウム（MgO）をトンネル障壁層に採用した磁気トンネル接合（MTJ）の断面を電子顕微鏡で拡大撮影した写真（クリックで拡大） 出典：CNRS

CoFeB合金とMgOの組み合わせが適している理由

　もう少し具体的に説明すると、自由層とトンネル障壁層に標準的に使われる材料系は、タンタル（Ta）／コバルト鉄ホウ素合金（CoFeB）／酸化マグネシウム（MgO）の組み合わせだ。この材料系が使われる主な理由を以下にまとめよう。

• CoFeBとMgOでは格子整合がおおむね、とれている（結晶格子のずれが小さい）
• CoFeBとMgOは結晶構造が同じ体心立方構造（bcc構造）であり、結晶配向も（001）と等しい
• 磁気モーメントのダンピング定数が適度に小さい
• CoFeBとMgOの界面における磁気異方性が大きい

などである。

タンタル（Ta）／コバルト鉄ホウ素合金（CoFeB）／酸化マグネシウム（MgO）の組み合わせが自由層の材料系に適している理由（クリックで拡大） 出典：CNRS