米乐m6中国官方网站 使用原子随机排列的新材料实现高性能存储元件

米乐m6官方网站（以下简称“AIST”）新原理计算研究中心研究员日比野由纪和研究组组长谷口智博是下一代非易失性存储器 SOT-MRAM非晶态W-Ta-B合金自旋电流凭借高效率，我们成功地大幅降低了功耗。

由非晶W-Ta-B合金制成精细布线在顶部存储元件(MTJ) 安排 SOT-MRAM 器件原型，写入功耗写入电流密度(5×10⁶安/厘米²）和出色的耐热性（在400摄氏度下不断裂），这对于半导体芯片的生产至关重要。常规水晶使用材料时，可低功耗写入的材料耐热度小于300℃半导体芯片制造工艺存在一个严重的问题，即写入电流密度比具有优异耐热性的材料高6倍以上。新开发的非晶W-Ta-B合金是超高速低功耗SOT-MRAM实际应用的重要技术。算术芯片预计将有助于智能手机、计算机、服务器等的更低功耗和更高功能。

该技术的详细信息将于 2023 年 12 月 19 日公布。先进电子材料

为了实现我国所追求的未来社会50，必须大幅降低IT设备的功耗，而解决方案之一就是低功耗非易失性存储器MRAM正在引起人们的注意。 MRAM 是待机功率，并且易于集成到运算芯片中。目前，它是一种 MRAMSTT-MRAM作为安装在运算芯片中的非易失性存储器而被广泛商业化。然而，STT-MRAM不擅长超高速操作（几纳秒或更短的写入时间），因此很难将其应用于运算芯片中使用的高速存储器。未来，预计高速存储器的功耗，特别是待机功耗的增加将成为一个严重的问题，因此人们对超高速且零待机功耗的下一代MRAM的实际应用有着强烈的渴望。作为下一代MRAM的候选者之一，SOT-MRAM的研发正在全球范围内积极进行。在SOT-MRAM中，写入电流通过与MTJ相邻的精细互连，互连材料内产生的自旋电流被注入MTJ以反转磁体的方向并写入信息。 SOT-MRAM的写入和读取速度比STT-MRAM更快，有望用作运算芯片中嵌入的超高速存储器。

SOT-MRAM实际应用的最大挑战是高性能布线材料的开发。为了降低写入功耗，必须用较小的电流产生较大的自旋电流。晶体钨是一种能够产生如此高效的自旋电流的布线材料。β-W已知，写入电流密度（10×10⁶安/厘米²下文）已经实现（表1）。然而，β-W的耐热性较差，在低于300°C的温度下会劣化，因此在暴露于高达400°C的温度的半导体芯片制造过程中，β-W会被破坏。另一方面，对于耐热性为400℃的传统材料（例如铂（Pt）），写入电流密度为30×10⁶安/厘米²或更多，就不可能以低功耗写入（表1）。为了将SOT-MRAM投入实际应用，需要一种能够高效产生自旋电流并且耐热至400°C的新材料。迄今为止研发的SOT-MRAM的布线材料主要是晶态金属和合金，非晶态材料的研究还很少。这是由于两个原因：(i)非晶材料中自旋电流产生的效率被认为较低，以及(ii)非晶合金的耐热性被认为约为300°C或更低。

AIST 正在研究和开发多种类型的下一代 MRAM，目的是大幅降低使用高性能非易失性存储器的 IT 设备的功耗。关于SOT-MRAM，我们开发了一种使用结晶磁性合金作为布线材料的SOT-MRAM元件（2021 年 10 月 29 日 AIST 新闻稿）。此次，我们针对此前尚未受到关注的非晶布线材料进行了研究开发，取得的成果将为SOT-MRAM的实际应用迈出重要一步。

现在，我们开发了一种非晶W-Ta-B合金，它兼具SOT-MRAM实际应用所需的低写入电流密度和优异的耐热性（表1）。传统上，理论上认为晶体结构对于高效自旋电流产生是必要的。为此，我们开发了一种新型非晶态合金，其中在W中添加了百分之几的B，并成功地产生了与晶体β-W相当的高效率自旋电流（图1a中的虚线）。此外，我们发现，通过用 Ta 原子替换 20% 至 30% 的 W 原子，自旋电流产生的效率进一步提高（图 1a）。与传统观点相反，由于以下因素，非晶材料实现了高自旋电流产生效率。发现非晶W-Ta-B合金具有局部结构，其中原子在1至2纳米的非常窄的范围内（多个原子排列的空间）以某种规则的方式排列。传统理论认为，高效自旋电流的产生需要“晶体”结构，其中原子在几纳米或更大的宽范围内规则排列。然而，这项研究的结果提供了新的学术知识：如果原子排列在非常窄的范围内具有一定程度的规则性，即使是非晶材料也可以实现高自旋电流产生效率。

之前人们认为非晶合金会在半导体芯片制造过程中分解，因为它们会在低于约 300 摄氏度的温度下变成晶体。然而，人们发现，新开发的非晶W-Ta-B合金即使在350至400摄氏度的热处理下也不会发生任何改变或劣化。这对于非晶态合金来说可以说是异常高的耐热性。

图 1b 显示了 SOT-MRAM 器件的写入操作示例，其中使用工业制造设备制造非晶 W-Ta-B 合金的精细互连和 MTJ，并在 400 °C 下进行热处理。当电流通过布线时，高效率产生的自旋电流被注入到MTJ中，产生大约5×10⁶安/厘米²时，磁体方向反转，MTJ 的电阻不连续变化。这样，通过在SOT-MRAM中使用用于精细布线的非晶W-Ta-B合金，我们实现了适合半导体芯片制造工艺的低功耗信息写入和耐热性。

未来，我们将致力于进一步提高SOT-MRAM元件的性能和集成元件阵列，并推动已开发的材料和元件技术向产业转移。如果SOT-MRAM投入实际应用，有望为移动终端和数据中心带来更低的功耗和更高的性能。

已出版的杂志：先进电子材料
论文标题：采用非晶 W-Ta-B 合金的高能效自旋轨道扭矩磁阻存储器
作者：Y Hibino、T Yamamoto、K Yakushiji、T Taniguchi、H Kubota 和 S Yuasa
DOI：101002/aelm202300581

非易失性存储器

即使电源关闭也能保留存储信息的存储器。[返回来源]

MRAM（STT-MRAM、SOT-MRAM）

磁性随机存取存储器的缩写，一种非易失性存储器。非易失性存储器根据存储元件MTJ的磁体的方向存储“0”和“1”信息。目前，多种类型的MRAM已投入实际应用或正在研究中。
主要是STT-MRAM和SOT-MRAM。
STT-MRAM是自旋转移矩MRAM的缩写，具有大容量、低功耗等特点。尽管目前它已被广泛使用，但据说它很难应用于运算芯片中使用的高速存储器，因为它不擅长超高速操作。
SOT-MRAM是自旋轨道扭矩MRAM的缩写，其结构是在产生自旋电流的精细互连上安装MTJ。由于电流在写入和读取过程中流经不同的路径，因此它可以实现比 STT-MRAM 更快的写入/读取操作。因此，作为有望应用于运算芯片的高速存储器的下一代MRAM，SOT-MRAM的研究开发正在进行中。[返回来源]

非晶态

一种固体材料，其中原子以无序（随机）方式排列。也称为无定形或玻璃态。然而，即使在非晶态材料中，原子排列也可能在 1 至 2 纳米（多个原子排列的空间）的非常窄的范围内存在一些规律性。即使在本研究开发的非晶态 W-Ta-B 合金中，也可以在 1 至 2 纳米范围内看到原子排列的局部规律性。[返回来源]

W-Ta-B合金

由钨 (W)、钽 (Ta) 和硼 (B) 组成的合金。[返回来源]

自旋电流

电子带负电，也具有小磁铁的特性。磁铁的这种特性称为“自旋”。固体中电子的流动称为“电流”，而自旋的流动称为“自旋流”。通过将自旋电流注入MTJ磁体，可以反转磁体的方向，从而可以利用自旋电流将信息写入MRAM。
当电流通过精细互连时，由于称为自旋霍尔效应的物理现象，会在垂直于电流的方向上产生自旋电流。通过使用能够以小电流密度产生大自旋电流的材料（即，能够以高效率产生自旋电流的材料），可以降低SOT-MRAM的写入功耗。[返回来源]

精细布线

加工成宽度约为100纳米的细线形状的金属或合金。精细布线用于电连接半导体芯片内的晶体管和存储元件。 SOT-MRAM 使用由特殊材料制成的精细互连来生成用于写入信息的自旋电流。[返回来源]

内存元件，MTJ

在存储芯片中存储“0”和“1”数字信息的元件。
MTJ（英语为Magnetic Tunnel Junction，日语为Magnetic Tunnel Junction）是一种MRAM存储元件。 MTJ的基本结构是，两侧的铁磁层之间夹有非常薄的绝缘层（称为隧道势垒），并根据两侧铁磁层中的磁体是平行（同向）还是反平行（相反方向）来存储“0”或“1”的数字信息。通过反转铁磁层之一中磁体的方向来写入信息。
STT-MRAM 和 SOT-MRAM 使用氧化镁 (MgO) 作为隧道势垒，使用钴铁硼 (Co-Fe-B) 合金作为铁磁层，但具有这种基本结构的 MTJ 是 AIST 在 2004 年发明的。具有这种基本结构的 MTJ 也用于硬盘 (HDD) 磁头和磁传感器。[返回来源]

写入功耗

向内存写入 1 位信息时的功耗。对于非易失性存储器来说，写入功耗占总功耗的比例最大。[返回来源]

写入电流密度

细布线单位截面积的写入电流值。写入电流密度越低，写入功耗越低，因此写入电流密度可以作为判断写入操作的能量效率好坏的指标。[返回来源]

水晶

一种固体材料，其中原子在几纳米或更大的范围内规则地排列在晶格中。[返回来源]

半导体芯片制造工艺

制造半导体芯片的一般过程。有一个在硅晶圆上制造晶体管的“预处理”，一个在其上制造精细布线和存储元件的“布线工艺”，以及一个从晶圆上切下芯片并封装它们的“后处理”。在逻辑芯片制造过程中，在布线过程结束时要进行400°C的高温热处理，因此半导体芯片内的所有组件都必须耐热400°C。[返回来源]

算术芯片

执行逻辑运算和计算的半导体芯片，起到计算机大脑的作用。有CPU、GPU、系统LSI等。[返回来源]

待机功率

维护内存存储信息所需的功耗。对于非易失性存储器来说，待机功耗基本为零。[返回来源]

β-W

钨具有一种特殊的晶体结构，称为A15型。它不具有稳定的晶体结构，在低于300℃的温度下薄膜会转变为另一种晶体结构，因此耐热性较低。[返回来源]