MRAMについて

磁気抵抗効果

磁気抵抗効果を利用して ”1”と”0” を記憶　

次世代メモリの概要

MRAMの優位性

　MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) は、磁化の方向で情報を記憶する不揮発性メモリです。1ns程度の高速な磁化反転速度により高速動作が可能であるとともに、原子移動が無いために書き換え耐性が高く、他の不揮発性メモリには無い優位性を有しています。

MRAMの基本素子：MTJ

　MRAM技術の近年の進歩は、2010年東北大学の大野教授のグループによる技術的ブレークスルーに始まります。当時デバイス性能の向上をめざして、絶縁体を挟む新たな材料が世界的に探索されていました。その中で、従来の材料を薄くしていくと、通常基板に水平な電子のスピン（磁気の向き）が、ある薄さで基板に垂直に揃えられることを発見しました。結果、その材料は世界標準の材料系となり、2018年から本格的な実用化が始まっています。

S. Ikeda,‥‥H. Ohno et al., Nature Materials 9, 721 (2010)

STT-MRAM

　MRAMは書き込み方式によって特徴が異なります。最近広く使われ出したのが、STT (Spin Transfer Torque)-MRAMです。STT-MRAMの記憶素子は「磁気トンネル接合（MTJ：Magnetic Tunneling Junction）と呼ぶ3層構造の2端子素子を基本素子としています。3層構造は、磁化が特定の方向に固定されている「参照層（Reference Layer）」、電子がトンネル効果によって通過する「トンネル層（Tunneling Layer）」、磁化が参照層の磁化と平行な方向、あるいは反平行な方向どちらかの状態をとれる「自由層（Free Layer）」から構成されています。STT-MRAMでは、書き換えと読み出しを１つのトランジスタで実現することができ（1Tr1MTJ）、メモリセル面積を小さくすることが可能です。CPU内のキャッシュメモリと使われているSRAMやエンベデッド・フラッシュメモリの置き換えや、スタンドアロンメモリの事業が進められています。

SOT-MRAM

　さらに次世代技術として期待されているのが、SOT (Spin Orbit Torque)-MRAMです。MTJ素子の自由層に接するように、非磁性純金属層のチャネル層が形成されています。書き換えと読み出しにそれぞれ専用トランジスタを必要とし（2Tr1MTJ）、STT-MRAMに比べてメモリセル面積は大きくなりますが、より高速な動作が可能で高い信頼性が実現できます。AIプロセッサに代表されるHPC（High Performance Computing）向けの高速キャッシュメモリの置き換えなどを視野に、研究開発が進めれています。

アーキテクチャ	STT-MRAM	SOT-MRAM
構造
書き込み方法	Spin Transfer Torque (STT)	Spin Orbit Torque (SOT)
用途	大容量	高速

STT-MRAM

構造

書き込み方法

Spin Transfer Torque (STT)

用途

大容量

SOT-MRAM

構造

書き込み方法

Spin Orbit Torque (SOT)

用途

高速