米乐m6官方网站（AIST）（所长吉川博之）纳米电子研究所（所长：和田俊美）和 ANELVA 公司（所长：今村有隆，东京府中市四谷 5-8-1）成功开发出适合制备高性能隧道磁阻（TMR）器件的大规模制造技术，该器件是高速非易失性磁阻随机存取存储器 (MRAM)。这种新型TMR器件采用氧化镁作为隧道势垒层，由产业技术研究所于今年3月成功开发，采用适合大规模制造的溅射系统制造。实现了室温下230%磁阻比的世界最佳性能，是传统TMR器件的三倍。由于磁阻比的巨大飞跃，与传统TMR相比，信号输出可增加一倍至370 mV。根据工业经验，这种更高的信号输出足以制造下一代高密度 MRAM 器件，这些器件可以远远超出 Gbit 范围。新开发的TMR器件具有更高的磁阻比，也有利于制造更灵敏的磁头。这确保了实现硬盘驱动器的更高记录密度；这是开发未来“环境智能”的重要功能。
迄今为止，新型 TMR 器件只能通过使用分子束外延 (MBE) 等高度复杂的技术来制造。然而，MBE工艺过于复杂，限制了TMR器件的大规模制造能力。另一方面，目前的结果表明，可以通过适合大规模制造MRAM的现有溅射系统来制备高性能新型TMR器件。
MRAM（磁阻随机存取存储器）是一种依靠磁性而不是像DRAM（动态随机存取存储器）中的电荷来存储数据的存储器件（图1）。由于 MRAM 的快速运行和高密度功能，世界各地的科学家一直在开发 MRAM 作为 DRAM 的替代品。此外，MRAM 即使在电源关闭后也能保留存储的数据（非易失性），非常适合恶劣环境中的应用。因此，它被认为是理想的内存。
摩托罗拉和 IBM 一直引领着 MRAM 的开发。摩托罗拉于 2003 年底向部分客户发货了第一批 4 Mbit MRAM 芯片。同时，IBM 集团于 2004 年 6 月宣布开发 16 Mbit MRAM。在日本，NEC 和东芝在获得日本政府资助后，于 2003 年在国家项目框架内开始了 MRAM 开发。
目前的MRAM技术最多只能提供70%左右的磁阻比，并且输出信号低于200 mV。即使采用这种技术，预计也可以制造出存储容量高达 64 – 128 Mbit 的 MRAM。输出信号的较低值成为增加 MRAM 密度的一个问题，因为信号被噪声掩盖，并且当密度进一步增加时无法恢复。因此，需要对MRAM的核心部件TMR进行大幅改进，以实现更高密度的MRAM（图2）。
为了解决这个问题，世界各地的科学家投入了大量的精力来优化铁磁电极的材料和隧道势垒层氧化铝的制作方法。然而，从原理上讲，这种增加磁阻比和信号输出的传统方法已经达到了极限。因此，需要采取严厉措施来实现Gbit级高密度MRAM。
使用氧化铝作为势垒层的TMR器件的磁阻比上限被认为在70%左右。为了克服这一限制，许多研究人员提出并研究了一种利用氧化镁作为隧道势垒层的新型TMR器件。氧化铝是一种非晶态材料（原子处于无序状态）。结果，电子被散射，使其难以直接穿过势垒层（图3（a））。相反，镁由于氧化物处于单晶状态（原子处于有序状态），电子可以直线运动而不会受到色散（图3（b））。在这种情况下，理论研究预测会产生巨大的隧道磁阻效应。
与新型TMR器件相关的实验结果，特别是磁阻比的提高，自2001年以来就已被报道。2004年春季，AIST宣布，它成功地超越了传统TMR器件的磁阻比，实现了室温下磁阻比为88%的新型TMR器件。结果引起了广泛关注（图4）。然而，新型TMR器件是在特殊衬底（氧化镁衬底）上制造的，而不是在LSI制造工艺中必不可少的Si衬底上制造的。此外，它是使用特殊的超高真空蒸发系统进行沉积的，生产率较低。总体而言，超高真空蒸发系统存在维护周期短、材料成分可控性差、硬件难以小型化等技术缺点。因此，人们认为新型TMR器件无法大规模生产用于实际应用。因此，人们认为新型TMR器件无法大规模生产用于实际应用。
(1) 使用溅射机实现了在硅衬底上制造新型TMR器件的量产技术（世界首创）
今年春天，AIST 实验确认成功后，ANELVA 开始开发新型 TMR 器件的量产技术。考虑到磁头或MRAM生产工艺的工艺适用性，采用溅射沉积方法代替超高真空蒸发技术。本研究中使用的溅射系统基于用于磁头或 MRAM 生产的大规模生产系统。该溅射系统具有基材和靶材（沉积材料源）之间的宽距离和偏置配置的独特特征（图5）。此外，与传统溅射系统相比，溅射气压可降低一个数量级。其结果是，可以抑制高能溅射原子的轰击并导致微观结构紊乱，从而获得表面光滑、性能优越的薄膜。利用这种技术，我们在用于 MRAM 生产的 8 英寸直径硅晶圆上成功制造了新型 TMR 器件，该器件表现出优异的性能（图 6）。透射电子显微镜的横截面显微照片，我们可以看到在硅衬底上生长着非常光滑的氧化镁层（图7）。
(2) 新型TMR器件，室温下具有230%巨大磁阻比（全球最高性能）
磁阻比是评估TMR器件性能的典型参数。迄今为止，采用氧化铝作为势垒层的TMR器件最高磁阻比在70%左右。认为传统TMR器件的磁阻比已达到其理论极限，不能指望其性能得到改善。另一方面，AIST于2004年3月实现了室温下磁阻比为88%的新型TMR器件，超越了传统TMR器件的磁阻比，取得了里程碑式的成果。此次，通过采用溅射技术在Si衬底上制作新型TMR器件，获得了室温下约230%的世界最高磁阻比（图8）。
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| 图。 8新型TMR器件的室温磁阻曲线 |
(3) Gbit级MRAM的实现之路
目前，全球范围内对传统 MRAM 的开发竞争非常激烈。然而，由于传统TMR的最高磁阻比值最多为70%，因此信号输出保持在低于200mV的水平。因此，使用该技术，存储容量超过64 - 128 Mbit的MRAM被认为很难实现。
这次，由于成功制造了一种新型TMR器件，其磁阻比高达230%，因此实现了370 mV的信号输出。信号输出电平大约是使用氧化铝的传统 TMR 器件的两倍。这个值几乎可以满足Gbit级MRAM的要求。我们相信，薄膜特性的进一步改善可以进一步提高信号输出。
从数据存取速度的角度来看，要求TMR器件的电阻在500-10000Ωμm范围内2。值得注意的是，本次制备的新型TMR器件满足了这一要求。相信目前采用适合量产的溅射系统制造的高性能新型TMR器件，是实现Gbit级MRAM的突破。
(4)该技术在高记录密度硬盘驱动器磁头中的应用
为了进一步提高硬盘驱动器的记录密度，工程师正在尝试将使用传统氧化铝阻挡层的TMR器件集成到磁头中。注意TMR器件磁头所需的电阻比MRAM小得多，在05-4Ωμm范围内2。为了降低目前开发的TMR器件的电阻，减少氧化镁厚度，同时保持磁阻比，将是下一个发展问题。
此处介绍的结果是 AIST 和 ANELVA 合作研究工作的一部分。样品制造在 ANELVA 进行，微加工和评估在 AIST 完成。