テラビット級高速磁性不揮発メモリの開発

2005 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15360192
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子デバイス・電子機器
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 松山 公秀 九州大学, 大学院・システム情報科学研究院, 教授 (80165919)
• 研究分担者: 能崎 幸雄 九州大学, 大学院・システム情報科学研究院, 助手 (30304760)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• キーワード: スピントロニクス / 不揮発性メモリ / 書き換え可能論理動作回路 / 磁性ランダムアクセスメモリ

研究概要

記録情報の安定保持を担う記録層と低磁界での磁化反転を担う駆動層を、複数の磁性層により構成し、これらを磁気的に結合した機能分担型磁性不揮発メモリについて、材料探索、評価素子試作、動作実験、機能動作解析等の研究を総合的に行い、テラビット級高速磁性不揮発メモリの実現に資する以下の成果を得た。
1)記録層と駆動層の結合機構として、パターン端部磁極間静磁気結合と界面交換結合を利用する2方式についてシミュレーションによる比較検討を行った結果、駆動層から記録層へのトルク伝達性に優れた後者が、微小セルにおいても良好な機能分担特性を実現できることを明らかにした。
2)上層の機能動作用導体パターンをマスクとして下層の磁性多層膜細線をドライエッチングする自己整合型プロセスを開発し、最小パターン幅200nmのクロスポイント(CP)メモリ素子を試作した。素子の磁気抵抗測定より、静磁気結合に起因する特徴的な磁化反転特性を検証し、同結合が記録層の磁化反転磁界を著しく低減可能であることを明らかにした。
3)軟磁性CoFe層(駆動層)と硬磁性TbFe層(記録層)を交換結合させたメモリセルの基本動作実験を行い、導体パターンからのジュール加熱によるTbFe層の磁気異方性低減効果により磁化反転磁界が顕著に低減されることを実証した。また、高速動作評価として集束レーザビーム照射によるパルス熱励起を試み、同様の反転磁界低減効果を検証した。
4)マクロスケールモデルを導入した有限温度磁化過程解析プログラムを新たに開発して、熱アシスト磁化反転過程の詳細を明らかにし、効果的な機能分担機能を発現するための各層磁気特性、層構成、層間交換結合強度等に関する設計指針を確立した。また、100nmサイズの機能分担型垂直磁化記憶セルの設計及び動作シミュレーションを行い、実用的な情報安定性と低電力性を検証した。

研究成果

• [雑誌論文] CPP transport properties of polycrystalline Fe_3O_4 thin films psuttered on Cu underlayers (2005)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97・10 ページ: 10C315
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical simulation of write-operation in MRAM memory cell array with magnetostatic interaction (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97・10 ページ: 10P505
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Fabrication nad Characterization of Ferromagnetic Tunnel Junction with Transition Metal Oxides (2005)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Research Reports on ISEE of Kyushu Univ. 10・1 ページ: 63-66
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thickness dependence of interlayer fringe field coupling in sub micron NiFe/Cu multilayered pillars (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Zhang et al.
  • 雑誌名: IEEE Transactions on Magnetics 41・10 ページ: 2583-2585
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reconfigurable ferromagnetic resonance properties in nanostructured multilayers (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Zhang et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (印刷中)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] CPP transport properties of polycrystalline Fe_3O_4 thin films sputtered on Cu underlayers (2005)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics Vol.97,No.10 ページ: 10C315
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Numerical simulation of write-operation in MRAM memory cell array with magnetostatic interaction (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics Vol.97,No.10 ページ: 10P505
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Fabrication and Characterization of Ferromagnetic Tunnel Junction with Transition Metal Oxides (2005)
  • 著者名/発表者名: F.qin et al.
  • 雑誌名: Research Reports on ISEE of Kyushu Univ. Vol.10,No.1 ページ: 63-66
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Thickness dependence of interlayer fringe field coupling in sub micron NiFe/Cu multilayered pillars (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Zhang et al.
  • 雑誌名: IEEE Transaction on Magnetics Vol.41,No.10 ページ: 2583-2585
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Magnetic and Electric Properties of Fe_3O_4 Thin Films Sputtered on Metallic Underlayer (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics E87-C・2 ページ: 189-192
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of matallic under-layer on structural and magnetic properties of sputtered Fe_3O_4 films (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276 ページ: e1835-e1837
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effect of magnetostatic fringe field coupling on magnetic properties of nano-structured single domain particle arrays (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Oishi et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276 ページ: e1355-1357
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Thermal stability of Co_90Pt_10 islands with relief-structured samples (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276 ページ: e1319-1321
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Controlling of spin orientation in a pseudo spin valve MRAM cell with pulsed conductor currents (2004)
  • 著者名/発表者名: J.Kikuchi et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials 272-276 ページ: 1895-1897
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electrically Induced Conductivity Switching in Sputtered Fe_3O_4 Thin Film (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Research Reports on ISEE of Kyushu Univ. 9・2 ページ: 85-88
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Magnetic and Electric Properties of Fe_3O_4 Thin Films Sputtered on Metallic Underlayer (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: IEICE Transactions on Electronics Vol.E87-C, No.2 ページ: 189-192
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of metallic under-layer on structural and magnetic properties of sputtered Fe_3O_4 films (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vol.272-276 ページ: e1835-e1837
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Effect of magnetostatic fringe field coupling on magnetic properties of nano-structured single domain particle arrays (2004)
  • 著者名/発表者名: H.Oishi et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vol.272-276 ページ: e1355-e1357
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Thermal stability of Co_<90>Pt_<10>islands with relief-structured samples (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vol.272-276 ページ: e1319-e1321
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Controlling of spin orientation in a pseudo spin valve MRAM cell with pulsed conductor currents (2004)
  • 著者名/発表者名: J.Kikuchi et al.
  • 雑誌名: Journal of Magnetism and Magnetic Materials Vol.272-276 ページ: 1895-1897
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Electrically Induced Conductivity Switching in Sputtered Fe_3O_4 Thin Film (2004)
  • 著者名/発表者名: F.Qin et al.
  • 雑誌名: Research Reports on ISEE of Kyushu Univ. Vol.9,No.2 ページ: 85-88
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Gbit級MRAM機能動作の計算機シミュレーション (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: 電子情報通信学会技術研究報告 102・723 ページ: 35-40
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] MRAMにおける書き込みの課題への研究開発動向 (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuyama et al.
  • 雑誌名: 電子技術 45・6 ページ: 40-43
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Size dependence of switching current and energy barrier in the magnetization reversal of rectangular MRAM cell (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 93・10 ページ: 7295-7297
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Switching behavior of cross contacting CPP-GMR structure fabricated by two-step ion milling technique (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Oishi et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 93・10 ページ: 7613-7615
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 極微構造磁性体の物理と不発揮メモリへの応用 (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuyama et al.
  • 雑誌名: 第31回研究会資料(将来加工技術第136委員会) ページ: 1-6
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Non-linear temperature dependence of switching fields in relief-structured Co/Ni_80 Fe_20 particles (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 93・11 ページ: 9182-8185
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical simulation of functional operation in Gbit class MRAMs (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: IEICE Technical Research Report Vol.102,No.723 ページ: 35-40
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Trend of recent research and development for the problem in write operation of MRAMs (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuyama et al.
  • 雑誌名: Electronics Technology Vol.45,No.6 ページ: 40-43
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Size dependence of switching current and energy barrier in the magnetization reversal of rectangular MRAM cell (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics Vol.93,No.10 ページ: 7295-7297
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Switching behavior of cross contacting CPP-GMR structure fabricated by two-step ion milling technique (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Oishi et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics Vol.93,No.10 ページ: 7613-7615
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Physics on ultla-fine ferromagnet and its application for nonvolatile memory (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Matsuyama et al.
  • 雑誌名: Research report of 136^<th> committee on novel micro-fabrication technique ページ: 1-6
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Non-linear temperature dependence of switching fields in relief-structured Co/Ni_<80>Fe_<20> particles (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Nozaki et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics Vol.93,No.11 ページ: 9182-8185
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Reconfigurable ferromagnetic resonance properties in nanostructured multilayers
  • 著者名/発表者名: M.Zhang et al.
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics (in press)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [産業財産権] 磁気連想メモリ及び磁気連想メモリからの情報読み出し方法 (2004)
  • 発明者名: 松山公秀, 能崎幸雄
  • 権利者名: 科学技術振興機構
  • 公開番号: 特開2005-259206
  • 出願年月日: 2004-03-09
  • 取得年月日: 2005-09-22
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [産業財産権] 静磁気結合を利用した磁性ランダムアクセスメモリアル (2003)
  • 発明者名: 松山公秀, 能崎幸雄
  • 権利者名: 科学技術振興機構
  • 公開番号: 特開2005-174969
  • 出願年月日: 2003-12-05
  • 取得年月日: 2005-06-30
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より