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zoom RSS 半導体磁気メモリー

<<   作成日時 : 2006/12/17 23:02   >>

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 強誘電体の分極のつぎは磁気を使った半導体メモリーの話です。強磁性体の磁化特性をメモリに応用することはもちろん古くから知られていて、現在でもハードディスクはメモリの中心的な存在です。ただハードディスクはディスクを回転させてディスク上のどこかに情報を記録したり読み出したりするものです。その他の磁気ディスクや磁気テープといわれるものはいずれも記憶するもの(記憶媒体)を動かすものでした。

 ここで説明しようとしているのは、マトリックス状に並べたトランジスタをスイッチとして使う、動かす部分のないメモリです。つまりDRAMやSRAMと同じような機能をもち、しかも不揮発性のメモリです。浮遊ゲートを使う、強誘電体を使うというこれまでに説明した半導体メモリと機能は似ていますが、原理はまったく違うメモリです。

 磁化しているかいないかは電荷の有無とちがってMOSFETで直接検知することはできません。磁化しているかどうかを検出するのによく使われるのは電磁誘導現象ですが、これは半導体中で利用するには向きません。半導体磁気メモリで使われるのは磁気抵抗効果という現象です。磁気抵抗効果というのは物質に磁場をかけるとその物質の電気抵抗が変わる現象です。これなら電気抵抗の大小を検知することによって記憶情報を読み出すことができます。

 この磁気抵抗効果は古くから知られていましたが、抵抗の変化はせいぜい数%と小さかったので、実用的なメモリへの応用は難しいと考えられていました。ところが1980年代後半になって鉄とコバルトの非常に薄い膜を積み重ねた多層膜で20%近い非常に大きな抵抗変化があることが発見されました。各強磁性体膜の磁化の方向が揃っているときは抵抗が小さく、互い違いの方向になっているときは抵抗が大きくなります。これは巨大磁気抵抗効果と呼ばれ、その後、抵抗変化がさらに大きい材料の組み合わせが次々に見つかっています。画像

 数10%以上の大きな抵抗変化があるとそれは楽に検知できますから、メモリにも応用ができそうだということになり、メモリへの応用研究が1990年代末頃から活発になりました。まだ10年も歴史がない新しいメモリです。具体的によく用いられている磁気抵抗素子は薄い絶縁膜を強磁性体層ではさんだもので、絶縁膜は電子がトンネルできるくらいの厚さになっています。やはり絶縁膜の両側の磁性体の磁化の方向が揃ったときにトンネル電流がながれやすく、抵抗が低くなります。これをトンネル磁気抵抗(TMR)素子と呼んでいます。

 このTMR素子を使ったRAM(MRAMと呼ぶこともあります)を例によって特許で紹介しましょう。例えば特許3531628号があります。2001年にソニー社から出願されています。TMR素子をMOSFETと組み合わせた半導体磁気メモリは1999年頃提案されたと思われますので、この特許は最初のものとは言えませんが、素子構造がわかりやすく記載されています。

 図Aがメモリセル部分の断面図です。図BはそのなかのTMR素子部分を拡大図です。図Aの下の部分がMOSFETで213(231は誤記)がソース、214がドレイン、212がゲートです。上の部分では、ビット線241、ワード線221が交差する部分にTMR素子231が設けられ、メモリセルを選択して書き込みができるようになっています。TMR素子はMOSFETのソースと接続されています。またドレインにはセンスライン251が接続され、TMR素子の抵抗がMOSFETがオンのときに検知できるようになっています。

 TMR素子は図Bのようにトンネルバリア層を挟んで磁化固定層と記憶層が設けられた構造になっています。トンネルバリア層は金属酸化物などの絶縁層です。磁化固定層と記憶層は強磁性体膜で、記憶層の磁化の方向をビット線から流れ込む電流によって発生する磁場により変化させることができます。

 この半導体磁気メモリは高速で、図のようにMOSFETの上に積み重ねるような構造をとれるため、メモリセルの面積は小さくできます。また以前にはあまり触れませんでしたが、浮遊ゲートの半導体メモリは素子の寿命が短いという難点をもっていますが、半導体磁気メモリにはそのような問題もないため、期待がされているメモリの一つです。

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