日本在超大容量、低耗电、高性能非易失性存储器制造上迈进一步——数纳米级磁隧道结元件的运行实验获得成果

ICT 2018年02月27日

构成非易失性存储器STT-MRAM(Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random Access Memory,以下简称:STT-MRAM)主要元件的磁隧道结,对实现工作存储器的超低耗电、高性能化至关重要。目前,日本东北大学电器通信研究所的大野英男教授等人组成的研究小组,提出了一种新的磁隧道结的结构方式,并在世界最小尺寸(1位数的纳米)上成功地实现了运行实验。此研究成果有望对更大容量、更高性能的工作存储器的开发做出贡献。

工作存储器构成元素的微小化物理界限、制造界限已成为半导体集成电路的深刻问题。目前,在世界范围内由电流控制磁体的磁化方向,进而表征和存储信息的非易失性存储器STT-MRAM 技术得到了广泛地研发,并有望在2018年内实现量产。STT-MRAM是已有非易失性存储器中唯一具有和现有工作存储器同等性能的存储器。由STT-MRAM替代现有的工作存储器,实现低耗电集成回路,在情报处理通信、IoT技术上有望取得重大进展。

大野英男教授的研究小组于2010年利用“界面磁性异向性”技术开发出磁隧道结元件,确立了直径20纳米的微小化技术。而在更细微化的研究中,同时实现信息的不易消失(热稳定性)和简单重写(电流诱导磁性反转)成为了技术开发的重要课题。此研究小组,着眼于迄今为止未有效利用的“形状磁性异向性”技术,提出了利用此技术的新磁隧道结元件方案,并成功制作出最小直径仅有3.8纳米的磁隧道元件。这与其他研究者的研究结果相比非常出众。经测试证实,其具有足够的热稳定性和电流诱导磁性反转性。其热稳定性指数取得了目前利用“界面磁性异向性”技术做出的磁隧道结元件所不及的80以上的数值。这一数值可以满足多数应用程序的需求。并在磁反转的评价中,在最小直径8.8纳米的元件上取得了确认。

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图(a)此次提案的“形状磁性异向性”技术的磁隧道结 图(b)目前“界面磁性异向性”技术的磁隧道结(图像来源:日本东北大学新闻稿)

因形状磁性异向性具有独立于材料的通用性,它适用于各种材料。有望根据应用程序、必要数据的特性、负载功率、负载温度等条件选择适应的材料,制作出合适的磁隧道结元件。近年半导体集成电路的微小化已进步到极限的纳米级领域,此研究的成果可适用于此极限的微小化状态。今后应用此技术制作的工作存储器,有望实现具有100Gb以上的容量,达到现有的100倍。

此研究成果已于2018年2月14日在英国科学杂志《Nature Communications》的在线速报版上刊登。

文/ 客观日本编辑部

相关论文:
Shape anisotropy revisited in single-digit-nanometer magnetic tunnel junctions,Kyota Watanabe, Butsurin Jinnai, Shunsuke Fukami, Hideo Sato, and Hideo Ohno Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-018-03003-7.

相关链接(日语)
<新闻稿> 实现数纳米级磁隧道结元件的运行实验~实现超大容量、低耗电、高性能非易失性存储器制造的道路~[网址]

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