瑞薩科技公司(Renesas)今日宣布研制出一種高速度、高可靠性的MRAM(磁阻式隨機存取存儲器)技術(shù),用于系統(tǒng)級芯片(SoC)。
瑞薩科技運用這項技術(shù),利用130 nm(納米)CMOS工藝制造了存儲容量為1 Mb的MRAM存儲器原型樣品。研究表明,在1.2 V的工作電壓下,有希望在143 MHz或者更高的工作頻率下高速運行,而且在一千億次重復寫入試驗中進行的測量證實,它的性能并沒有下降。
瑞薩科技通過與三菱電氣公司合作進行的研究,取得了這些成果,并且在2004年12月14日(美國時間)在美國舊金山舉行的IEEE國際電子器件會議(IEDM)上宣布了這些成果。IEEE國際電子器件會議是在12月13 日開幕的。
近年來,移動設(shè)備和數(shù)字式消費家電的功能和性能已經(jīng)有了顯著的提高,在將來,這個發(fā)展趨勢還會繼續(xù)下去。在開發(fā)產(chǎn)品時,由于要求性能更好、功能更強、功耗更低,需要有一項技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)這一切。
用于存放數(shù)據(jù)和其它用途的存儲器是一項關(guān)鍵的技術(shù),它起著重要的作用。利用這項技術(shù),產(chǎn)品可以有更多的功能,更好的性能。如今已經(jīng)研制出各種類型的存儲器。為了滿足將來的需要,做了很多工作,一方面是改進各種常規(guī)的易失性存儲器和非易失性存儲器,同時研究具有嶄新特性的新型的下一代存儲器。
MRAM就是這種新型存儲器,它是一種非易失性存儲器,在切斷電源之后,它能夠保留數(shù)據(jù),同時工作速度很高。它能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)存儲器的各種功能,因此對于MRAM作為下一代存儲器,人們寄以很高的期望。
這項新研究出來的技術(shù)的詳情如下:
(1) 建立可以實現(xiàn)最優(yōu)性能的優(yōu)化方法
MRAM是利用硬盤讀出磁頭中通常使用的磁性材料以及一種MTJ(磁性隧道結(jié))來存儲數(shù)據(jù)的。MTJ包含一個隧道層。MRAM存儲器的性能取決于MTJ的成份和結(jié)構(gòu)。聯(lián)合研制小組研究了磁阻(MR)比*1和MTJ中的磁阻面積(RA)*2 ,并且進一步運用與讀出速度的相關(guān)性,從而形成了一個新穎的方法,可以用它找出實現(xiàn)高速度的最優(yōu)條件。
這種最優(yōu)化方法是在其它制造商之前開發(fā)出來的。研究小組弄清楚了電阻與磁阻比之間的通用關(guān)系,因而形成了這種最優(yōu)化方法。利用這個方法,有可能確定電阻與磁阻比最佳組合。
(2) 使用可以實現(xiàn)高速度以及隧道層最優(yōu)化的磁性材料
MTJ結(jié)構(gòu)包含一個自由層、一個隧道層和引腳層。瑞薩科技的常規(guī)MRAM分別使用 CoFe (鐵鈷合金:磁性材料)和 AlOx (氧化鋁),在工作頻率超過100 MHz時,可以達到很高的工作速度,這點已經(jīng)在試驗性生產(chǎn)中得到了證實。
為了達到更高的速度,磁阻比就必須更大,但是用最優(yōu)化方法進行的研究表明,使用CoFe時,要提高磁阻比是很困難的。因為這點,研究并使用了下面的技術(shù),以便達到更高的速度。
(a) 采用 CoFeB (鐵鈷硼合金) 磁性材料
運用上述的最優(yōu)化方法,可以同時開展與材料有關(guān)的研究工作。結(jié)果發(fā)現(xiàn), CoFeB是一種合適的磁性材料,用它得到的磁阻比可以實現(xiàn)高速運作,然而CoFe并不是合適的磁性材料。正如最優(yōu)化方法所預計的,使用 CoFeB可以將磁阻比提高大約30 %至70 %。
(b) 隧道層厚度的最優(yōu)化
只要把磁性材料改成CoFeB就可以提高磁阻比,然而電阻也增大了,但是并不能提高速度。另一方面, 只要把隧道層做得薄一些,就可以降低電阻,但是隧道層過份薄又會帶來可靠性方面的問題。研制小組利用現(xiàn)有的最優(yōu)化方法,找到了隧道層的正確厚度,不僅速度高,而且可靠。這樣就有可能把磁阻比做得高,同時電阻也小。
運用上面所說的辦法,一個存儲單元的感測時間(讀取數(shù)據(jù)的時間)為5.2 ns,讀出周期就有希望達到大約7 ns,工作頻率就有希望超過143 MHz。后來,在150 ℃的高溫環(huán)境下進行了一千億次的寫入試驗 ,沒有出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象。這證實了雖然隧道層的厚度減少了,可靠性仍然很高。
運用這項新技術(shù),使用4層銅連接線制造一個MRAM原型樣品,并且研究了它的效果。所使用的1T-1MTJ結(jié)構(gòu)中,一個存儲單元包含一只晶體管和一個MTJ結(jié),TMR(隧道磁阻)組件的尺寸為0.26 × 0.44 μm2 ,實現(xiàn)了世界上尺寸最小的存儲器單元,它的尺寸是0.81 μm2。
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