研究人员) YUASA Shinji，研究中心主任，YAKUSHIJI Kay，新兴计算技术研究中心自旋器件团队组长，TAKAGI Hideki，器件技术研究所首席研究经理
- 在直径 300 毫米的硅晶圆上制造用于非易失性存储器 MRAM 的单晶薄膜
- 使用3D集成技术将单晶存储元件集成在硅LSI中
- 有望为下一代 MRAM 和新型超导量子位做出贡献
集成到非易失性存储器 STT-MRAM（左）中的单晶 MTJ（右）的电子显微镜图像
非易失性存储器MRAM具有高速读/写操作和优异的写入耐久性等特征，并且从低功耗信息处理的角度来看受到关注。目前主流的MRAM产品是电流驱动MRAM（STT-MRAM）。另一方面，正处于研究阶段的电压驱动MRAM（VC-MRAM）比STT-MRAM消耗更少的功率，因此有望成为下一代非易失性存储器。适用于 5 nm 及以上技术节点的 MRAM 扩展以及与高速内存 SRAM 相当的功耗是实现 Society 50 和后 5G 技术的关键。由于MTJ元件超高集成度带来的性能变化增加和性能不足等问题，目前在MRAM技术中实现可扩展性和功效是一个挑战。
AIST 的研究人员开发了制造工艺技术，将用于非易失性存储器 MRAM 的单晶存储器元件集成到硅 LSI 中。
非易失性存储器 MRAM 由磁隧道结 (MTJ)、用作位选择器的半导体晶体管 (CMOS) 和金属互连等组成的记录位组成。这种存储器是通过将带有氧化镁 (MgO) 隧道势垒的多晶 MTJ 直接沉积到多晶金属线上来制造的。然而，由于性能变化不断增加以及多晶 MTJ 元件的材料特性不足，MRAM 预计将达到这种传统技术的缩放极限。因此，采用新材料和单晶MTJ集成技术的单晶MTJ作为扩展可扩展性的解决方案正在引起人们的关注。
本研究首次成功利用尖晶石氧化物MgAl制备单晶MTJ薄膜2O4作为在300毫米直径硅片上替代MgO的新材料。此外，还首次通过基于直接晶圆键合的3D集成技术，成功地将单晶MTJ元件集成到MRAM用硅LSI中。该技术将有助于当前主流非易失性存储器STT-MRAM的超高集成度，也有助于更高性能、更低功耗的VC-MRAM和量子计算机的超导量子位。