STT-MRAM的重要突破，微缩到10nm以下

公众号新闻

2024-01-13 02:01

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来源：内容由半导体行业观察（ID：icbank）编译自mynavi，谢谢。

非易失性存储器即使在电源关闭时也能保留信息，有望显著降低汽车、人工智能和物联网等应用中半导体集成电路的功耗。目前，自旋电子学被用作非易失性存储器。基于该技术的自旋转移矩磁阻存储器（STT-MRAM）的商业化正在取得进展。

该存储器采用钴铁硼（CoFeB）层夹在氧化镁（MgO）层之间的结构，作为存储数据的磁隧道结（MTJ）元件的存储层。该器件的数据保留特性取决于垂直磁各向异性和元件尺寸，这种结构满足1Xnm一代汽车半导体集成电路所需的数据保留特性。

1月11日，东北大学宣布提出了一种可定制的磁隧道结（MTJ）元件，以满足纳米直径范围内各种应用的性能要求，并系统化了其材料和结构的设计指南。

然而，随着未来X（个位数）nm/埃（Å）代半导体集成电路中使用的MTJ元件尺寸将进一步小型化，现有技术无法满足汽车、人工智能、物联网等的性能要求。困难重重，需要新的突破。

对此，研究团队发表了大量的研究成果，为Xnm/Å一代MTJ元件的高性能运行铺平了道路，而这一次，在不改变目前主流的CoFeB/MgO材料体系的情况下，团队决定更接近研究可根据各种应用所需的性能定制直径为 Xnm 的 MTJ 元件的材料和结构技术。

本研究提出的结构是由CoFeB/MgO组成的多层磁层结构，通过改变CoFeB层的厚度和MgO插入层的数量（叠片数），可以改善界面各向异性和形状各向异性。特点是可以独立控制。设计为增加CoFeB层相对于直径的厚度以使形状磁各向异性占主导地位的结构在高温下具有优异的数据保持特性。以界面磁各向异性占主导地位的方式设计的结构据说具有优异的高温特性。速度写入性能。

根据研究中制造的MTJ元件的数据保持特性和写入特性的评估结果，发现形状磁各向异性占主导地位的结构具有较小的标度指数来表征数据保持特性的温度依赖性。制作了直径为 7.6 nm 的器件，并证实了在 150°C 下具有足够高的数据保持特性。

另一方面，写入速度以“弛豫时间”为特征，其越短则可以进行越快的写入，但界面磁各向异性占主导的结构的弛豫时间较短，并且已确认：直径为4.5 nm的器件可以用1 V或更小的电压脉冲和持续时间为10 ns来重写数据，同时表现出相对较高的数据保留特性。还假设计算预测，通过改变材料和结构，可以用 1 V 或更小的电压脉冲和 1 ns 的持续时间重写数据。

通过这项研究，我们建立了获得超细 MTJ 元件所需特性的材料/结构技术和物理理解，并为 STT-MRAM 未来扩展到更广泛的应用领域建立了基本的理解。它的意思是。另外，新开发的多层磁性层结构可以使用目前主流的CoFeB/MgO材料来实现，因此可以使用主要半导体器件制造商的现有设备进行制造。因此，本研究获得的结果有望加速STT-MRAM的开发，以用于未来超细代半导体集成电路的广泛应用。

原文链接

https://news.mynavi.jp/techplus/article/20240112-2861787/

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