米乐m6官方网站[所长：吉川博之]（以下简称“AIST”）电子研究部[所长：伊藤润二]和独立行政机构日本科学技术振兴机构[所长：冲村纪树]（以下简称“JST”）预计将开发高性能非易失性存储器MRAM(磁阻随机存取存储器）高品质关键设备单晶 隧道磁阻（TMR (隧道磁阻)）元素全球首次，实现了室温磁阻88%、输出电压380mV的全球最高性能。这为下一代超高集成度MRAM的开发铺平了道路。
○氧化镁
隧道屏障的材料，并使用具有优异磁性能的铁作为电极材料，我们成功制造了高质量的单晶TMR元件（以下简称新型TMR元件）。
○新型TMR元件实现全球最高性能
常规氧化铝隧道势垒的TMR器件（以下简称传统TMR器件）的性能。传统TMR元件的磁阻为70%，输出电压为200mV，而新型TMR元件的磁阻为88%，输出电压为380mV。
○千兆位(千兆位)类MRAM的发展路线
在使用传统TMR元件的MRAM中，由于输出电压低，集成密度被认为在64Mbit至128Mbit左右达到极限。为了实现Gbit级高度集成的MRAM，TMR元件的输出电压需要为400mV。新的TMR元件几乎达到了这个目标值。
上述研究成果是基于AIST和JST的共同研究协议，以JST战略基础研究推进项目PRESTO计划的研究主题“纳米和凝聚性质”[研究主任神谷武史（国立大学评价·学位研究所教授）]为基础的。千兆位-MRAM用单晶TMR元件的开发”[首席研究员Shinji Yuasa，AIST电子研究部高级研究员]在研究过程中获得。
磁随机存储器(磁阻随机存取存储器) 是DRAM(动态随机存取存储器) [参见图 1]。海外，摩托罗拉和IBM最先开始开发，到20034年底兆比特MRAM 样品已发货。与此同时，在日本，NEC 和东芝自 2003 财年起开始全面开发国家项目。
64 使用现有技术兆比特的MRAM的前景特别是，需要同时提高磁阻和改善电压特性（见图2）。传统TMR元件的磁阻较低，约为70%，输出电压低于200 mV（实际上只有DRAM输出电压的一半），因此随着集成度的提高，它们会被噪声掩盖而变得不可读，这是一个主要问题。
为了解决这个问题，世界各地都在努力优化电极材料并创造创建隧道屏障的方法（使用氧化铝）。然而，这种传统方法对输出电压的改善原则上已接近饱和。千兆位类MRAM。
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＜MRAM的结构＞
TMR元件布置在字线和位线的交叉点处。
每个 TMR 元素存储 1 位信息。
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1 位 MRAM
磁铁方向是平行的：“0”
- 反平行：“1”
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图 1 MRAM 机制
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为了实现Gbit-MRAM，必须将输出电压加倍。为此目的，磁阻增加和电压特性的改善（即使施加电压磁阻也难以降低）。
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图2 TMR元件的磁阻效应（上）
TMR元件的输出特性（下）
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(1) 使用单晶氧化镁开发出新型高品质TMR元件
在传统的TMR元件中，磁性薄膜的电极是多晶的，并且氧化铝被用作隧道势垒材料[见图3(a)]。氧化铝无定形物质（原子排列不规则的物质），因此当电流流动时，电子会发生散射，具有难以直线运动的特性。由于这一特性，传统TMR元件的磁阻上限约为70%。为了克服这个限制，我们开发了一种新的TMR元件，它使用氧化镁作为隧道势垒的材料。氧化镁是单晶（原子排列规则的物质），因此当电流流动时，电子不会散射，可以直线运动[见图3(b)]。在这种情况下，理论上预计会出现巨大的磁阻效应。然而，利用单晶氧化镁制造TMR元件在技术上存在困难，迄今为止还没有制造高质量TMR元件的成功范例。
利用产业技术研究院建造的世界首创的单晶TMR元件集成制造设备[见图4]，我们成功地连续层压了高质量的单晶磁性薄膜和单晶氧化镁层，从而成功开发了世界最高性能的TMR元件。
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图3 传统TMR元件和新型TMR元件
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图4 全球最先进的单晶TMR集成制造设施
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(2) 实现了世界最高的磁阻和输出电压
使用氧化镁的新型TMR元件实现了世界上最高的磁阻（室温下为88%）[见图5]。迄今为止传统TMR元件的最佳性能约为70%。此外，新型TMR元件实现了世界上最好的电压特性（见图6）。结果，我们成功地将TMR元件的输出电压提高到380mV，是传统值的两倍。这是千兆位所需的输出电压类MRAM。
AIST和JST利用取代氧化铝作为隧道势垒材料的革命性新材料氧化镁以及世界最高水平的单晶磁性薄膜技术，成功开发出了具有世界最佳特性的新型TMR元件。这允许 MRAM千兆位的超高容量之路已被打开。
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图5新型TMR元件的磁阻特性
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图6 TMR元件的输出电压特性
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今后，我们的目标是通过进一步改善新型TMR元件的制造条件，实现更高的磁阻和输出电压。另外，千兆位类MRAM。