Renesas研制高速高可靠的MRAM 技術(shù)
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(fù)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(yù)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。
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(fù)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(yù)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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