Retningslinjer for en-nanometer magnetisk tunnelforbindelsesteknologi

Forskere ved Tohoku University har udviklet retningslinjer for et enkelt-nanometer magnetisk tunnelkryds (MTJ), der giver mulighed for skræddersyet ydeevne for at opfylde kravene til forskellige applikationer, lige fra AI/IoT til biler og rumteknologier.

Gennembruddet vil føre til højtydende spintronisk ikke-flygtig hukommelse, kompatibel med state-of-the-art halvlederteknologier. Detaljerne blev offentliggjort i tidsskriftet npj Spintronics den 4. januar 2024.

Nøglekarakteristikken ved ikke-flygtig hukommelse er dens evne til at opbevare data i fravær af en ekstern strømkilde. Som følge heraf er omfattende udviklingsindsatser blevet rettet mod ikke-flygtig hukommelse på grund af dens evne til at reducere strømforbruget i halvleder-integrerede kredsløb (IC'er). Ydeevnekravene til ikke-flygtig hukommelse varierer afhængigt af specifikke applikationer. For eksempel kræver AI/IoT-applikationer højhastighedsydelse, mens bil- og rumteknologier prioriterer høje opbevaringsevner.

Spin-transfer torque magnetoresistive random access memory (STT-MRAM), en type ikke-flygtig hukommelsesteknologi, der lagrer data ved at udnytte elektronernes iboende vinkelmomentum, kendt som spin, har potentialet til at løse nogle af de begrænsninger, der er forbundet med eksisterende hukommelsesteknologier.

Den grundlæggende byggesten i STT-MRAM er den magnetiske tunnelforbindelse (MTJ):to ferromagnetiske lag adskilt af en tynd isolerende barriere. Forskere har længe forsøgt at imødegå udfordringen med at gøre MTJ'er mindre og samtidig opfylde ydeevnekravene, men der er stadig mange problemer.

STT-MRAM, der anvender MTJ'er med dimensioner i intervallet adskillige titusvis af nanometer, er med succes blevet udviklet til halvledere til biler ved hjælp af 1X nm teknologiknuder. Når man ser frem til fremtidige noder, er der imidlertid behov for at nedskalere MTJ'er til enkeltcifrede nanometer eller X nm, samtidig med at man sikrer muligheden for at skræddersy ydeevnen til specifikke applikationer.

For at gøre dette designet forskergruppen et middel til at konstruere enkelt-nanometer MTJ'er med en CoFeB/MgO-stabelstruktur, et de facto standardmaterialesystem. Variering af den individuelle CoFeB-lagtykkelse og antallet af [CoFeB/MgO]-stabler gjorde det muligt for dem at kontrollere formen og grænsefladeanisotropierne uafhængigt - noget afgørende for at opnå henholdsvis høj-retention og højhastighedskapacitet.

Som et resultat kan MTJ-ydeevnen skræddersyes til applikationer lige fra retentionskritisk til hastighedskritisk. På størrelse med enkelte nanometer viste formanisotropi-forstærkede MTJ'er høj retention (> 10 år) ved 150°C, mens grænseflade-anisotropi-forstærkede MTJ'er opnåede hurtig hastighedsskift (10 ns eller kortere) under 1 V.

"Da den foreslåede struktur kan tilpasses eksisterende faciliteter i større halvlederfabrikker, mener vi, at vores undersøgelse giver et væsentligt bidrag til den fremtidige skalering af STT-MRAM," siger Junta Igarashi, en af ​​studiets hovedforfattere.

Principal Investigator Shunsuke Fukami tilføjede, at "Halvlederindustrier har generelt en tendens til at være bevidste om langvarig skalering. I den forstand mener jeg, at dette arbejde bør sende et stærkt budskab til dem om, at de kan stole på fremtiden for STT-MRAM for at hjælpe med at indvarsle et kulstoffattigt samfund."

Flere oplysninger: Junta Igarashi et al., Single-nanometer CoFeB/MgO magnetiske tunnelforbindelser med høj-retention og højhastighedsfunktioner, npj Spintronics (2024). DOI:10.1038/s44306-023-00003-2

Leveret af Tohoku University