Forskare vid Tohoku-universitetet har utvecklat riktlinjer för en en-nanometer magnetisk tunnelövergång (MTJ), som gör det möjligt att skräddarsy prestanda för att möta kraven för olika tillämpningar, allt från AI/IoT till bilar och rymdteknik.
Genombrottet kommer att leda till högpresterande spintroniskt icke-flyktigt minne, kompatibelt med toppmoderna halvledarteknologier. Detaljerna publicerades i tidskriften npj Spintronics den 4 januari 2024.
Det viktigaste kännetecknet för icke-flyktigt minne är dess förmåga att behålla data i frånvaro av en extern strömkälla. Följaktligen har omfattande utvecklingsinsatser riktats mot icke-flyktigt minne på grund av dess förmåga att minska strömförbrukningen i integrerade halvledarkretsar (IC). Prestandakraven för icke-flyktigt minne varierar beroende på specifika applikationer. Till exempel kräver AI/IoT-applikationer höghastighetsprestanda, medan fordons- och rymdteknik prioriterar hög retentionskapacitet.
Spin-transfer vridmoment magnetoresistive random access memory (STT-MRAM), en typ av icke-flyktig minnesteknologi som lagrar data genom att använda elektronernas inneboende vinkelmomentum, känd som spin, har potentialen att ta itu med några av de begränsningar som är förknippade med befintliga minnesteknik.
Den grundläggande byggstenen för STT-MRAM är den magnetiska tunnelövergången (MTJ):två ferromagnetiska lager åtskilda av en tunn isolerande barriär. Forskare har länge försökt möta utmaningen att göra MTJ:er mindre och samtidigt uppfylla prestandakraven, men många problem kvarstår.
STT-MRAM, som använder MTJ:er med dimensioner i intervallet flera tiotals nanometer, har framgångsrikt utvecklats för fordonshalvledare med 1X nm teknologinoder. När man ser framåt mot framtida noder finns det dock ett behov av att skala ner MTJ:er till ensiffriga nanometer, eller X nm, samtidigt som man säkerställer möjligheten att skräddarsy prestanda efter specifika applikationer.
För att göra detta designade forskargruppen ett sätt att konstruera en-nanometer MTJ med en CoFeB/MgO-stackstruktur, ett de facto standardmaterialsystem. Genom att variera den individuella CoFeB-skikttjockleken och antalet [CoFeB/MgO]-staplar kunde de kontrollera formen och gränssnittsanisotropierna oberoende – något som är avgörande för att uppnå höghållnings- respektive höghastighetskapacitet.
Som ett resultat kan MTJ-prestandan skräddarsys för applikationer som sträcker sig från retentionskritisk till hastighetskritisk. Vid storleken på enstaka nanometer visade formanisotropiförstärkta MTJ:er hög retention (> 10 år) vid 150°C, medan gränssnittsanisotropiförstärkta MTJ:er uppnådde snabb hastighetsväxling (10 ns eller kortare) under 1 V.
"Eftersom den föreslagna strukturen kan anpassas till befintliga anläggningar i stora halvledarfabriker tror vi att vår studie ger ett betydande bidrag till den framtida skalningen av STT-MRAM", säger Junta Igarashi, en av huvudförfattarna till studien.
Chefsutredare Shunsuke Fukami tillade att "Halvledarindustrier tenderar i allmänhet att vara medvetna om långvarig skalning. I den meningen tror jag att detta arbete bör skicka ett starkt budskap till dem att de kan lita på framtiden för STT-MRAM för att hjälpa till att inleda ett koldioxidsnålt samhälle."
Mer information: Junta Igarashi et al, en-nanometer CoFeB/MgO magnetiska tunnelövergångar med hög retention och höghastighetskapacitet, npj Spintronics (2024). DOI:10.1038/s44306-023-00003-2
Tillhandahålls av Tohoku University
