最新研究！STT-MRAM微缩到10nm以下

发布时间：2024-02-05 10:34:13

来源：RF技术社区 (https://rf.eefocus.com)

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非易失性存储器技术正在助力汽车、人工智能和物联网等应用领域降低半导体集成电路的功耗。自旋电子学作为其分支，备受关注。特别是自旋转移矩磁阻存储器（STT-MRAM）技术，被视为极具前景的商业化方向。

STT-MRAM的存储层由钴铁硼（CoFeB）和氧化镁（MgO）构成，这种结构被称为磁隧道结（MTJ）元件。其数据保持特性主要依赖于垂直磁各向异性和元件尺寸，满足了新一代汽车半导体集成电路的数据保留需求。

近期，东北大学的研究团队提出了一种可定制的MTJ元件，能满足各种纳米尺寸应用的性能要求，并制定了相应的材料和结构设计指南，提升了应用的精确度和效率。

然而，随着未来X（个位数）nm/埃（Å）尺寸的半导体集成电路日益普及，现有技术面临严峻挑战。为了应对这一趋势，研究团队正在探索新的技术突破点，以满足更小尺寸元件的性能需求。

研究团队提出了一种新型多层磁性层结构，主要由CoFeB/MgO组成。通过调整CoFeB层的厚度和MgO插入层的数量（叠片数），可以优化界面各向异性和形状各向异性，实现独立调控。这一设计策略为定制Xnm直径的MTJ元件提供了可能。

实验结果表明，这种新结构在高温下展现出优异的的数据保持特性，即使在150°C下也能保持足够高的数据稳定性。此外，界面磁各向异性主导的结构展现出出色的高温特性以及较短的弛豫时间，从而实现了更快的写入速度。进一步的研究预测，通过调整材料和结构，可以用1V或更小的电压脉冲和1ns的持续时间重写数据。

该研究不仅为获取超细MTJ元件所需特性提供了材料/结构技术和物理理解，还为STT-MRAM未来更广泛的应用领域奠定了基础。重要的是，新开发的CoFeB/MgO多层磁性层结构可以利用现有的主流半导体器件制造商设备进行生产，从而有望加速STT-MRAM的开发，广泛应用于未来超细代半导体集成电路。

总之，非易失性存储器技术的发展为汽车、人工智能和物联网等领域带来了新的机遇和挑战。随着自旋电子学和STT-MRAM技术的不断进步和应用范围的扩大，未来的半导体集成电路将更加高效、可靠和智能。然而，对材料和结构的优化设计以及制造技术的改进和创新仍是未来研究的重要方向。