独立行政机构国立产业技术综合研究所【会长：吉川博之】（以下简称“AIST”）电子研究部【所长：和田俊美】和 ANELVA Corporation【总裁兼首席执行官今村丰】（以下简称“ANELVA”）预计将生产高性能非易失性存储器MRAM（磁阻随机存取存储器)隧道磁阻（TMR (隧道磁阻)）元素的性能并开发其大规模生产的技术。
AIST 今年春天成功开发的隧道屏障氧化镁采用(MgO)的新型TMR元件（以下简称“新型TMR元件”）现已量产溅射设备，在硅基板上制造了它（世界首创），并在室温下实现了230%的磁阻比（世界最高性能）。它的性能是目前MRAM中使用的采用氧化铝作为隧道势垒的TMR元件（以下简称“传统TMR元件”）的三倍。这导致输出电压为 370mV，大约是传统 TMR 元件的两倍。
迄今为止，新型TMR元件的制造需要特殊的成膜技术和特殊的基板，因此人们认为新型TMR元件不适合大规模生产工艺。这一结果表明，可以使用适合MRAM批量生产工艺的现有溅射设备来制造新型高性能TMR元件。改进的输出电压值使得可以集成更多存储元件。千兆位(千兆位)类MRAM的开发铺平了道路。除了提高MRAM的性能外，这一成果还有望显着提高硬盘中使用的磁头的性能，而信息设备对硬盘的需求不断增加。
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) 的高容量、高速存储器替代品[参见图 1]。此外，MRAM 是一种理想的存储器，即使在电源关闭时也能保留其记忆（非易失性）。在海外，摩托罗拉和IBM最先开始开发，4兆位(Mbit)MRAM样品于2003年底发货。2004年6月，IBM集团宣布开发16兆位MRAM。与此同时，在日本，NEC 和东芝自 2003 财年起就推迟了作为国家项目开始全面开发的时间。
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图 1MRAM 的工作原理
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预计使用传统技术将实现约64至128兆位的MRAM，但为了实现更高的集成度，需要大幅改善作为MRAM核心的TMR元件的特性[见图2]。特别是，目前使用的TMR元件的磁阻比最多低至70%左右，这将其输出电压限制在200mV以下，这带来了一个主要问题：随着集成度的提高，信息会在噪声中丢失而无法读出。
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图2 TMR元件的磁阻效应
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为了解决这个问题，世界各地都在努力优化电极材料并开发生产隧道屏障材料氧化铝的方法。然而，利用传统方法对磁阻比和输出电压值的改进原则上已接近饱和，并且需要彻底的解决方案来实现千兆位级大容量MRAM。
使用氧化铝作为隧道势垒的传统TMR元件的磁阻比的上限约为70％。为了克服这一限制，使用氧化镁作为隧道势垒材料的新型TMR元件的开发正在各个领域取得进展。氧化铝通常在低温下很难结晶；无定形物质（原子排列不规则的物质）状态下，电流流动时电子会发生散射，使其难以直线运动[见图3(a)]。另一方面，由于氧化镁是单晶（原子排列规则的物质），因此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。新型TMR元件的实验结果从2001年左右开始报道，其磁阻比逐渐提高，但今年春天，产业技术研究所终于在室温下实现了88%的磁阻比，超过了传统TMR元件的磁阻比。＊因此引起了很多关注[参见图 4]。然而，这些新型TMR元件是在与硅LSI制造工艺所必需的硅基板不同的特殊基板（氧化镁基板）上使用特殊的超高真空沉积方法制造的，生产率较低。超高真空沉积方法存在维护周期短、靶材元素比例难以控制、难以小型化等技术问题，因此被认为不可能引入实际的MRAM制造工艺中。
＊20040302 新闻稿：利用单晶TMR（隧道磁阻）元件实现世界最高性能
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图3传统TMR元件和新型TMR元件
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图4提高TMR元件磁阻比的历史
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(1) 使用溅射设备在硅基板上实现新型TMR元件的量产技术（世界首创）
继今年春天 AIST 成功演示了新型 TMR 元件后，ANELVA 已开始为其开发大规模生产技术。为了磁头和MRAM的生产率，从工艺兼容性的角度来看，使用溅射代替超高真空蒸发。因此，我们尝试使用 ANELVA 的溅射系统制造新型 TMR 元件，该系统在磁头和 MRAM 的大规模生产系统方面拥有良好的记录。在该溅射装置中，基板与靶材(成膜材料)之间的距离较宽，并且靶材偏离基板配置，因此很少有额外的高能粒子进入基板并扰乱膜的结构。此外，与传统溅射设备相比，通过将溅射气压降低一个数量级，薄膜的平整度得到改善，从而可以生长高质量的薄膜[见图5]。结果，我们成功地在8英寸直径的硅基板上制造了一种新型TMR元件，用于大规模生产MRAM[见图6]。透射电子显微照片显示在硅衬底上生长了平坦的氧化镁层[参见图2]。 7]。
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| 向真空容器中导入Ar（氩）等惰性气体施加高电压，产生等离子体，施加电场使等离子体中的离子（Ar+离子）加速，然后冲入靶材（成膜材料），使从靶材射出的粒子附着在基板上，从而形成薄膜的方法 |
本实验中使用
Anelva溅射设备
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所用设备的功能：
- 通过在衬底和靶之间具有较宽的距离以及通过将靶布置为偏离衬底，可以减少由等离子体引起的对薄膜的损坏。
- 与传统溅射设备相比，通过将溅射气压降低一个数量级，薄膜的平整度得到改善。
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图5溅射成膜方法示意图及溅射设备外观
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图 6 生长新型 TMR 元件的 8 英寸硅基板
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图7新型TMR元件的透射电子显微照片
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(2)新研制的TMR元件在室温下表现出230%的磁阻比（世界最高性能）
磁阻比是评价TMR元件特性的典型指标。使用氧化铝作为隧道势垒的传统TMR元件的性能是迄今为止最高的，磁阻比为70%。该性能已经达到其理论极限，并且不能指望传统TMR元件的性能进一步提高。为此，AIST于2004年3月利用超高真空蒸镀技术在氧化镁基板上制造了革命性的新型TMR元件，以氧化镁作为隧道势垒，并实现了88%的磁阻比，超过了传统TMR元件的性能。使用溅射装置在硅衬底上制造的新型TMR元件在室温下的磁阻比为230%，为世界最高值，超过了之前的值（见图8）。
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图8新型TMR元件的磁阻特性（室温）
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(3) 千兆级MRAM的实现之路
目前，全球正在展开一场使用传统 TMR 元件开发 MRAM 的竞赛。然而，目前用于MRAM制造的使用氧化铝的传统TMR元件的磁阻率较低，最多约为70%，并且信号输出小于200mV，因此，只要使用传统的TMR元件，就很难实现64至128兆位或更高的高度集成MRAM。
我们这次研制的新型TMR元件表现出230%的大磁阻比，输出电压值达到370mV。该值约为传统TMR元件输出电压值的两倍，几乎满足千兆位级MRAM所需的特性。我们相信，由于样品质量的提高，我们可以期待更高的输出电压值。除了输出电压值之外，从读出速度等角度来看，MRAM用TMR元件的电阻为500～10,000Ω·μm2范围内，而我们这次创建的新TMR元素就满足这个条件。采用适合量产工艺的溅射设备实现这种新型高性能TMR元件，是实现千兆级MRAM的重大突破。
(4)可应用于超高密度硬盘磁头的技术
在家用电器行业，使用氧化铝的传统TMR元件目前被整合到磁头中，以实现更高密度的硬盘。因此，利用磁头批量生产中使用的溅射设备制造出磁阻比远远超过传统TMR元件的新型TMR元件，将极大地有助于进一步提高磁头的性能，从而提高硬盘的记录密度。用于磁头的TMR元件的电阻值比用于MRAM的TMR元件所需的电阻值低很多，05至4Ω・μm2未来的挑战将是通过使氧化镁层变薄来降低电阻值。
AIST 和 ANELVA 正在进行共同研究，本研究结果是作为该研究的一部分而获得的。这次，ANELVA 制作了薄膜，AIST 进行了器件加工和评估。