瑞薩科技研制高速、高可靠性的MRAM 技術

　　瑞薩科技公司今日宣布研制出一種高速度、高可靠性的MRAM（磁阻式隨機存取存儲器）技術，用于系統級芯片（SoC）。

　　瑞薩科技運用這項技術，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。

<背景知識>

　　近年來，移動設備和數字式消費家電的功能和性能已經有了顯著的提高，在將來，這個發展趨勢還會繼續下去。在開發產品時，由于要求性能更好、功能更強、功耗更低，需要有一項技術能夠實現這一切。 

　　用于存放數據和其它用途的存儲器是一項關鍵的技術，它起著重要的作用。利用這項技術，產品可以有更多的功能，更好的性能。如今已經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，它能夠保留數據，同時工作速度很高。它能夠實現常規存儲器的各種功能，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的詳情如下：

　　(1)   建立可以實現最優性能的優化方法

　　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）來存儲數據的。MTJ包含一個隧道層。MRAM存儲器的性能取決于MTJ的成份和結構。聯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性，從而形成了一個新穎的方法，可以用它找出實現高速度的最優條件。

　　這種最優化方法是在其它制造商之前開發出來的。研究小組弄清楚了電阻與磁阻比之間的通用關系，因而形成了這種最優化方法。利用這個方法，有可能確定電阻與磁阻比最佳組合。

　　(2)   使用可以實現高速度以及隧道層最優化的磁性材料

　　MTJ結構包含一個自由層、一個隧道層和引腳層。瑞薩科技的常規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，這點已經在試驗性生產中得到了證實。

　　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，以便達到更高的速度。

　　(a)   采用 CoFeB (鐵鈷硼合金) 磁性材料

　　運用上述的最優化方法，可以同時開展與材料有關的研究工作。結果發現， CoFeB是一種合適的磁性材料，用它得到的磁阻比可以實現高速運作，然而CoFe并不是合適的磁性材料。正如最優化方法所預計的，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。研制小組利用現有的最優化方法，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（讀取數據的時間）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 ℃的高溫環境下進行了一千億次的寫入試驗 ，沒有出現性能下降的現象。這證實了雖然隧道層的厚度減少了，可靠性仍然很高。

< 新技術的效果 >

　　運用這項新技術，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結構中，一個存儲單元包含一只晶體管和一個MTJ結，TMR（隧道磁阻）組件的尺寸為0.26