mile米乐m6官网 展示巨大TMR（隧道磁阻）效应的产生机制

　米乐m6官方网站[会长：吉川博之]（以下简称“AIST”）电子研究部[所长：和田俊美]和独立行政机构日本科学技术振兴机构[会长：冲村纪树]（以下简称“JST”）正在共同开发下一代高性能非易失性存储器MRAM(磁阻随机存取存储器）的核心隧道磁阻（TMR (隧道磁阻)）元素中产生磁阻效应的机制，并成功地大幅提高了输出。现在我们已经获得了提高 MRAM 集成密度的新指南，我们计划在未来将其应用到量产工艺中。

○展示利用氧化镁在TMR元件中产生巨大磁阻的机制
　氧化镁的TMR设备由于隧道势垒材料（以下简称“新型TMR器件”）表现出巨大的磁阻，有望成为下一代MRAM的核心，但其机制的细节尚未阐明。
　通过制作由不同厚度的氧化镁隧道势垒组成的TMR元件并测量每个元件的磁阻，我们成功地观察到磁阻周期性波动的新现象。理论上，欧洲和美国的研究人员预测，在新型TMR器件中，携带电流的电子将在器件中传播，同时保持其“波动性”（电子的波动性），但他们在世界上首次成功证明了这一理论。

○ 成功大幅提高TMR元件的产量
　我们发现，通过在原子水平上平坦化氧化镁的隧道势垒，可以很好地保持电子的波动性，从而提高输出电压。事实上，通过原型制作隧道势垒界面原子排列极少无序的TMR元件，我们已经实现了世界最高的输出电压（550 mV）（之前的最高输出电压为380 mV）。
　提高TMR元件的输出电压对于提高MRAM的集成度极为有效。这一结果使得创建多层TMR元件成为可能，并将极大地有助于未来MRAM的更高集成度（是当前水平的几倍）。

　上述研究成果是基于AIST与JST之间的合同，以及研究主题“超级千兆位MRAM单晶TMR元件”的研究过程中获得的。

　有关此结果的详细信息，请参阅《英国科学杂志》自然材料发表于2004年12月1日号[10月31日突发新闻电子版]。 （主题：单晶 Fe/MgO/Fe 磁隧道结中的巨大室温磁阻　作者：汤浅真司、长滨太郎、福岛昭夫、铃木芳重、安藤浩司）

　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)（见图 1）。在海外，摩托罗拉和IBM是最先开始开发的公司之一，16Mbit MRAM已经完成原型设计。与此同时，在日本，NEC和东芝于2003年启动了一个国家项目，大约晚了两年，并开始全面开发。

图1 MRAM结构和机制

　TMR 元件 [参见图 2] 是 MRAM 的核心。传统的TMR元件使用氧化铝作为隧道势垒材料。为此，AIST迄今为止开发了一种新型TMR元件，该元件使用氧化镁作为隧道势垒，以获得更大的隧道磁阻效应，并实现了突破性的高性能（室温下磁阻为230%）（AIST新闻稿：3月2日、9月7日）。然而，对于获得如此巨大的磁阻的机制还有很多未知之处，到目前为止还没有得到很好的理解。

图2 TMR元件的隧道磁阻(TMR)效应

(1) 演示使用氧化镁的新型 TMR 元件中产生巨大磁阻的机制

　由于带电粒子（电子）的运动和传播，电流流过金属和半导体。这些电子同时具有粒子和波的性质（波性）。

　氧化铝是传统TMR元件的隧道势垒材料非晶态由于它是一种材料（原子排列不规则的材料），当电流流动时，电子会在隧道势垒内散射并失去其波动特性[见图3(a)]。相比之下，在新型TMR元件中，隧道势垒中的氧化镁是晶体（原子规则排列的物质），因此理论上预测，当电流流动时，电子不会散射，而是直线行进，同时保持其波动性[见图3(b)]。美国研究者的理论（W·H·巴特勒，2001），这种电子在传播的同时保持其波动性的现象是出现巨大磁阻的必要条件。然而，到目前为止，还没有完全证实这种现象是否真的发生。

(a) 当隧道势垒是氧化铝（非晶材料）时。由于原子排列不规则，电子被散射，失去了波动性。		(b) 当隧道势垒是氧化镁（单晶）时。由于原子以规则的方式排列，因此预计电子不会散射，并且会直线传播，同时保持其波动性。
图3 传统TMR元件和新型TMR元件

　这次，超高真空蒸镀法为了制造由高质量氧化镁隧道势垒和铁电极组成的TMR元件并测量其磁阻，我们成功地观察到一种新现象，即磁阻随着氧化镁厚度的变化而周期性变化[见图4]。当厚度如图中红色箭头所示时磁阻增大，当厚度如图蓝色箭头所示时磁阻减小。这种现象的机制与电子的波动性有关[见图5]。氧化镁中的电子波具有特定的长度（周期）。理论上预测，当氧化镁中存在整数个周期（1、2、3……）的波时，磁阻较小，当存在半整数个周期（05、15、25……）时，磁阻较大。换句话说，这次观察到的磁阻的周期性波动是电子在器件中传播同时保持其波动性质的直接证据。这一结果首次证明了当电子在保持其波动性的同时传播时出现巨大磁阻的机制。

图4 当隧道势垒（氧化镁）的厚度改变时，磁阻周期性地改变（振荡）。红色箭头粗细表示磁阻大，蓝色箭头粗细表示磁阻小。

图5 当氧化镁层中存在整数周期数(1、2、3)的波时，磁阻变小，而当存在半整数周期数(05、15、25)的波时，磁阻增大。

(2)成功大幅提高TMR元件的输出

　提高TMR元件的输出电压对于实现MRAM的高集成度极其重要，但这需要(i)磁阻的改善和(ii)电压特性的改善[见图6]。通过使用各种原型的实验，我们发现使氧化镁的隧道势垒变平可以更好地保留电子的波动性，从而改善TMR元件的电压特性。通过将氧化镁的生产温度提高到200°C（以前在室温下生产），隧道势垒和电极之间的界面在原子水平上变得平坦，制造出原子无序度极小的TMR元件（见图7），并成功改善了电压特性。结果，我们实现了世界上最高的输出电压（550mV）。这是一个远远超过之前最高值 (380mV) 的输出电压 [参见图 8]。

　使用如此高的输出电压可以实现 MRAM 中的多层存储。当前 MRAM 的结构是在晶体管顶部仅堆叠一层 TMR 元件 [参见图 1]。然而，通过使用具有高输出电压的新型TMR元件，可以在晶体管顶部堆叠多层（约四层）TMR元件，从而可以实现MRAM的更高集成度（传统MRAM的四倍）。可以通过缩小每个TMR元件的尺寸来提高MRAM的集成度，但在这种情况下，必须解决另一个问题：降低写入功率。另一方面，当MRAM通过多层高度集成时，写入功率就不是问题。因此，多层存储是增加MRAM密度的简单解决方案。

当电压施加到TMR元件时，磁阻减小。这称为电压特性。为了提高TMR元件的输出电压，(i)磁阻增加和(ii)电压特性的改善是必需的。

图6 TMR元件的电压特性与输出电压的关系

图7 TMR元件横截面电子显微照片 氧化镁层中可见的白色颗粒是原子。可见，它是一颗优质“晶体”，原子排列规则，无序程度极少。

图8 TMR元件输出电压的历史 红色△标记是采用量产技术（溅射法）制造的TMR元件 红圈标记为采用超高真空蒸镀法制作的TMR元件

　通过进一步研究本次获得的成果，我们的目标是实现一种将提高TMR元件产量的技术应用于溅射薄膜沉积这一大规模生产工艺的方法。

◆MRAM[见图1]，输出电压[见图5]

MRAM 是使用 TMR 元件的计算机内存。通过将TMR元件的两个铁磁电极的相对磁化方向设置为平行或反平行，一个TMR元件可以存储1位信息。因为TMR元件在平行状态和反平行状态下的电阻由于TMR效应而不同，所以可以通过测量元件的电阻来非破坏性地读出存储在TMR元件中的信息。实际的读取是通过使电流流过TMR元件并读取TMR元件两侧发生的电压（输出电压）的变化来进行的。为了提高MRAM的集成度，需要高输出电压。
在实际的 MRAM 中，字行和位线之间放置大量TMR元件并排列在网格上。原则上，MRAM是下一代存储器，具有存储器所需的所有特性：非易失性、高速、低功耗、低电压驱动和高集成度。美国（IBM、摩托罗拉）在MRAM的研发方面处于领先地位，日本也正在积极进行研发。[返回来源]

◆字线、位线

在 RAM 等固态存储器中，称为字线和位线的非常细的电线像围棋板上的垂直线和水平线一样排列，每个存储一位的存储元件都放置在这些垂直线和水平线的交叉点上。对特定存储器元件的存取是通过对连接到该元件的垂直线和水平线（即，字线和位线）通电来完成的。[返回来源]

◆隧道磁阻元件（TMR元件）、隧道势垒、磁阻[见图2]、电压特性[见图5]

一种非常薄的绝缘体（称为隧道势垒），厚度为几纳米（1 纳米：十亿分之一米）或更小。传统上，氧化铝（Al）₂O₃)已被使用）夹在两个铁磁金属电极之间称为隧道磁阻元件（TMR元件）。 TMR元件的电阻根据两个铁磁电极的相对磁化方向是平行还是反平行而变化。这种现象称为隧道磁阻效应（TMR效应），此时电阻变化的速率，以百分比表示，称为磁阻。当对TMR元件施加电压时，磁阻减小，这称为TMR元件的电压特性。磁阻下降小（大）的TMR元件被认为具有“良好（不良）的电压特性”。[返回来源]

◆氧化铝、氧化镁【见图3】

氧化铝 (Al₂O₃)。氧化铝通常是具有不规则原子排列的非晶态材料。因此，当电子流过氧化铝时，它们会被散射，从而难以直线传播。另一方面，新型TMR元件的隧道势垒材料氧化镁（MgO）具有原子规则排列的晶体特性。这种特性使电子能够直线传播而不会被散射。[返回来源]

◆DRAM

动态随机存取存储器的缩写它是当今计算机中最常用的存储器类型，具有容量大、读写速度较高、易失性（断电时存储的信息消失）等特点。信息是通过在电容器（蓄电元件）中蓄电来存储的，因此当电源关闭时，电容器会放电，存储的信息就会丢失。[返回来源]

◆晶体、非晶态[见图3]

由原子排列成晶格（称为晶格）的结构组成的物质称为晶体。另一方面，原子排列不规则的材料称为非晶材料。[返回源]

◆超高真空蒸镀法

超高真空蒸发是一种通过将器件内部保持在非常好的真空状态，将材料加热至高温、蒸发并沉积在基板上来形成薄膜的方法。虽然它不适合大规模生产工艺，但可以生产非常高质量的薄膜，使其成为适合基础研究的方法。[返回来源]