瑞薩科技研制高速、高可靠性的MRAM 技術(shù)

　　瑞薩科技公司今日宣布研制出一種高速度、高可靠性的MRAM（磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）技術(shù)，用于系統(tǒng)級(jí)芯片（SoC）。

　　瑞薩科技運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)，利用130 nm（納米）CMOS工藝制造了存儲(chǔ)容量為1 Mb的MRAM存儲(chǔ)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(yùn)行，而且在一千億次重復(fù)寫(xiě)入試驗(yàn)中進(jìn)行的測(cè)量證實(shí)，它的性能并沒(méi)有下降。

　　瑞薩科技通過(guò)與三菱電氣公司合作進(jìn)行的研究，取得了這些成果，并且在2004年12月14日（美國(guó)時(shí)間）在美國(guó)舊金山舉行的IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議（IEDM）上宣布了這些成果。IEEE國(guó)際電子器件會(huì)議是在12月13 日開(kāi)幕的。

<背景知識(shí)>

　　近年來(lái)，移動(dòng)設(shè)備和數(shù)字式消費(fèi)家電的功能和性能已經(jīng)有了顯著的提高，在將來(lái)，這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)還會(huì)繼續(xù)下去。在開(kāi)發(fā)產(chǎn)品時(shí)，由于要求性能更好、功能更強(qiáng)、功耗更低，需要有一項(xiàng)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(chǔ)器是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，它起著重要的作用。利用這項(xiàng)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(lèi)型的存儲(chǔ)器。為了滿(mǎn)足將來(lái)的需要，做了很多工作，一方面是改進(jìn)各種常規(guī)的易失性存儲(chǔ)器和非易失性存儲(chǔ)器，同時(shí)研究具有嶄新特性的新型的下一代存儲(chǔ)器。

　　MRAM就是這種新型存儲(chǔ)器，它是一種非易失性存儲(chǔ)器，在切斷電源之后，它能夠保留數(shù)據(jù)，同時(shí)工作速度很高。它能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)存儲(chǔ)器的各種功能，因此對(duì)于MRAM作為下一代存儲(chǔ)器，人們寄以很高的期望。

　　這項(xiàng)新研究出來(lái)的技術(shù)的詳情如下：

　　(1)   建立可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能的優(yōu)化方法

　　MRAM是利用硬盤(pán)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(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的。MTJ包含一個(gè)隧道層。MRAM存儲(chǔ)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(jìn)一步運(yùn)用與讀出速度的相關(guān)性，從而形成了一個(gè)新穎的方法，可以用它找出實(shí)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(kāi)發(fā)出來(lái)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(gè)方法，有可能確定電阻與磁阻比最佳組合。

　　(2)   使用可以實(shí)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(gè)自由層、一個(gè)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(guò)100 MHz時(shí)，可以達(dá)到很高的工作速度，這點(diǎn)已經(jīng)在試驗(yàn)性生產(chǎn)中得到了證實(shí)。

　　為了達(dá)到更高的速度，磁阻比就必須更大，但是用最優(yōu)化方法進(jìn)行的研究表明，使用CoFe時(shí)，要提高磁阻比是很困難的。因?yàn)檫@點(diǎn)，研究并使用了下面的技術(shù)，以便達(dá)到更高的速度。

　　(a)   采用 CoFeB (鐵鈷硼合金) 磁性材料

　　運(yùn)用上述的最優(yōu)化方法，可以同時(shí)開(kāi)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(shí)現(xiàn)高速運(yùn)作，然而CoFe并不是合適的磁性材料。正如最優(yōu)化方法所預(yù)計(jì)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(guò)份薄又會(huì)帶來(lái)可靠性方面的問(wèn)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(shí)電阻也小。

　　運(yùn)用上面所說(shuō)的辦法，一個(gè)存儲(chǔ)單元的感測(cè)時(shí)間（讀取數(shù)據(jù)的時(shí)間）為5.2 ns，讀出周期就有希望達(dá)到大約7 ns，工作頻率就有希望超過(guò)143 MHz。后來(lái)，在150 ℃的高溫環(huán)境下進(jìn)行了一千億次的寫(xiě)入試驗(yàn) ，沒(méi)有出現(xiàn)性能下降的現(xiàn)象。這證實(shí)了雖然隧道層的厚度減少了，可靠性仍然很高。

< 新技術(shù)的效果 >

　　運(yùn)用這項(xiàng)新技術(shù)，使用4層銅連接線制造一個(gè)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(gè)存儲(chǔ)單元包含一只晶體管和一個(gè)MTJ結(jié)，TMR（隧道磁阻）組件的尺寸為0.26