mile米乐官方网站 非易失性磁存储器MRAM高性能参考层的开发

国立先进产业技术综合研究所【会长中钵良二】（以下简称“AIST”）自旋电子学研究中心【研究中心主任汤浅真司】金属自旋电子学团队药师寺圭研究团队负责人是下一代非易失性存储器是磁性随机存取存储器 (MRAM)的参考层中使用采用铱（Ir）的新间隔层，我们实现了大容量MRAM所需的性能。

高性能垂直磁化TMR元件是实现大容量MRAM的核心技术，由存储信息的“存储层”、氧化镁（MgO）制成的“隧道势垒层”和作为确定存储层信息标准的“参考层”组成。参考层由上铁磁层、下铁磁层和两层之间厚度约为05 nm的极薄间隔层组成。判断标准的稳健性（参考层的稳健性）是必需的。间隔层会影响参考层的强度，但这次我们发现，通过使用铱来代替迄今为止广泛使用的钌（Ru），我们可以获得比钌更强的参考层特性。此外，能够实现所需性能的间隔层厚度范围大约增加了一倍，这被认为使制造更容易（见下图）。铱间隔层提供了强大的参考层，有望彻底改变目前大容量MRAM中使用的标准钌，并为MRAM的大规模生产做出贡献。

　该技术详情于 2017 年 2 月 27 日应用物理快报

参考层间隔层的厚度与强度的关系

　MRAM是新一代的，具有非易失性、高速、高耐重写性等特点，特别是从非易失性带来的节能角度来看通用内存吸引了人们的注意MRAM包括磁场写入型MRAM，当前写入类型MRAM (STT-MRAM)、电压写入型MRAM（电压扭矩MRAM）。基于垂直磁化TMR元件的STT-MRAM可实现千兆级大容量，日本国内外制造商正在将其商业化。此外，虽然电压-扭矩MRAM仍处于基础开发阶段，但预计它比STT-MRAM更省电、速度更快。 STT-MRAM和电压扭矩MRAM可以利用其非易失性的优势用作外围存储器，也可以用作超越传统半导体存储器（DRAM）的大容量主存储器，预计在不久的将来，许多移动IT设备和计算机将配备这些MRAM。

　作为实现大容量STT-MRAM的核心技术，AIST于2004年发明了带有MgO隧道势垒层的高性能TMR元件，并于2008年作为“遗传功能技术项目”（与东芝公司共同研究）的一部分，开发了国内外领先的STT-MRAM，其中包括世界首个基于垂直磁化TMR元件的STT-MRAM原型（在IEDM 会议）。 2008 年 12 月 17 日（DOI：101109/IEDM20084796680），AIST 新闻公告 2004 年 3 月 2 日、AIST 新闻稿 2004 年 9 月 7 日、AIST 新闻公告 2004 年 11 月 1 日、AIST 新闻公告 2015 年 12 月 17 日）。我们目前正在开发超高容量STT-MRAM以取代DRAM，以及电压扭矩MRAM以取代SRAM。

　TMR元件越小，就越难以确保“存储层的存储稳定性”和“参考层的强度”。关于存储层，AIST正在广泛进行材料开发，并且已经在实现20nm或更小直径的TMR元件方面取得了成果，这是替代DRAM所必需的。另一方面，参考层的研究和开发还没有非常积极地进行，并且仅在极其有限的条件下才能实现20nm或更小尺寸所需的性能。因此，我们决定以超薄膜堆叠技术为基础技术，进行研发以提高参考层的强度。

　这项研究和开发得到了内阁府创新研究和开发促进计划（ImPACT）“实现无需充电即可长期使用的终极生态IT设备（2014-2019财年）”的支持。

　图 1 显示了我们开发的垂直磁化 TMR 元件的轮廓。垂直磁化TMR元件具有参考层/隧道势垒层/存储层的基本结构，每层的厚度薄至几个纳米。参考层由上铁磁层、下铁磁层和两层之间的间隔层组成，间隔层（图中的铱间隔层）极薄，约为05 nm。

图1包括新开发的参考层的垂直磁化TMR元件横截面的示意图和电子显微镜图像

　在像参考层这样的三层结构中，上铁磁层和下铁磁层具有特征磁耦合（层间交换耦合）。当特定的间隔材料（例如钌或铱）薄至05 nm时，上下铁磁层的磁化方向相反（反平行），从而产生强耦合（反平行耦合）（图2）。如果反并联耦合强，参考层就会强，所以耦合强度如图2所示（J_前) 需要增加。如代表图所示，TMR元件直径为20nm以下的MRAM需要J_前约为 18 erg/cm²就是这样。该值也可以通过使用现有钌隔离物的参考层来获得，但是钌隔离物的厚度必须落在从038nm到大约048nm的01nm范围内。另一方面，采用新开发的铱间隔物J_前的最大值为 26 尔格/厘米²和钌间隔物的最大值（22 erg/cm²) 与 12291_12321|) 相比增加了约 20%。另外，18 erg/cm²上面显示的间隔物厚度范围为038 nm至057 nm（019 nm），大约是钌间隔物厚度范围的两倍。这对于量产来说是极其重要的一点，预计将极大地有助于提高新一代低功耗存储器MRAM的生产率。

图2 参考层上下铁磁层反平行磁化耦合示意图

此外，当我们使用铱垫片评估 STT-MRAM 的性能时，我们发现数据读取特性 (MR比率)、数据写入特性和耐热性等各种性能与钌间隔层相当，并且通过使用铱作为间隔层，没有性能劣化，仅可以增加参考层的强度。预计不仅20 nm或更小尺寸的参考层，而且各代STT-MRAM、电压扭矩MRAM，甚至自旋扭矩振荡器件的参考层都将完全被铱垫片取代。

　此次开发的含有铱间隔物的参考层可广泛应用于自旋电子器件。未来，我们的目标是基于该技术建立大容量STT-MRAM的量产技术，并将其应用于其他自旋电子器件。

◆非易失性存储器

即使电源关闭也能保留存储信息的计算机内存。人们已经开发出了几种具有不同数据存储方法的存储器，包括磁性随机存取存储器（MRAM）、电阻存储器（ReRAM）和相变存储器（PRAM）。现有的半导体存储器(DRAM)是易失性存储器，由于信息是通过电荷携带的，断电后信息就会丢失，因此需要备用电源来保留信息。[返回来源]

◆磁性随机存取存储器（MRAM）

一种非易失性存储器。使用隧道磁阻元件（TMR元件）的存储器具有非易失性、高速、低功耗、低电压驱动、高集成度等优异特性。 TMR元件根据两个铁磁电极的磁化的相对方向而呈现高电阻状态和低电阻状态，并且可以分别存储与“1”和“0”相对应的信息。由于信息被存储为微磁性材料的磁化方向，因此即使电源关闭，信息也能保留。根据数据写入方法的不同，MRAM分为三种类型：磁场写入型MRAM、电流写入型MRAM（STT-MRAM）和电压写入型MRAM（电压扭矩MRAM）。[返回来源]

◆垂直磁化TMR元件，MR比

一种微观TMR（隧道磁阻）元件，由垂直磁化铁磁材料/绝缘体/垂直磁化铁磁材料组成，每个材料由厚度为1至几纳米的薄层组成。垂直磁化的铁磁材料在垂直于基板表面的方向上被磁化。绝缘体两侧垂直磁化的铁磁材料为金属，当施加电压时，隧道电流流过绝缘层（隧道势垒层）。 TMR元件的电阻根据两个垂直磁化​​的铁磁材料的磁化方向是平行还是反平行而发生很大变化。这种电阻变化率称为磁阻（MR）比，并作为STT-MRAM读取信号的性能指标。自2004年AIST证明使用氧化镁(MgO)作为隧道势垒层可以提供超过100%的巨大MR比以来，MgO隧道势垒层已成为标准。[返回来源]

◆判断标准的稳健性（参考层的稳健性）

在MRAM中，“1”或“0”的信息内容被记录在存储层中作为存储层磁性材料的磁化方向。此时，除非所有参考层都取向为相同的磁化方向，否则将无法确定存储层的磁化方向是“1”还是“0”。作为标准，需要一个不受任何干扰（来自存储层的磁场、外部磁场、信息写入过程中电流发热、电流感应磁场等）影响的强参考层。[返回来源]

◆通用内存

新一代存储器，可实现小型电子设备和移动通信设备的低功耗和高速启动。除了具有现有DRAM和SRAM的高速度和大容量外，还具有非易失性和低功耗功能。 MRAM具有高速、大容量、非易失性（低功耗）等功能，有望作为通用存储器得到普及。[返回来源]

◆当前写入型MRAM（STT-MRAM）

向MRAM写入数据是通过流动电流引起的自旋转移力矩(STT)引起的磁化反转来执行的。由于这是一种适合增加容量的写入方法，目前世界各地正在开发量产，预计将在未来几年实现商业化。[返回来源]