Renesas研制高速高可靠的MRAM 技术

    瑞萨科技公司(Renesas)今日宣布研制出一种高速度、高可靠性的MRAM（磁阻式随机存取存储器）技术，用于系统级芯片（SoC）。

    瑞萨科技运用这项技术，利用130 nm（纳米）CMOS工艺制造了存储容量为1 Mb的MRAM存储器原型样品。研究表明，在1.2 V的工作电压下，有希望在143 MHz或者更高的工作频率下高速运行，而且在一千亿次重复写入试验中进行的测量证实，它的性能并没有下降。

    瑞萨科技通过与三菱电气公司合作进行的研究，取得了这些成果，并且在2004年12月14日（美国时间）在美国旧金山举行的IEEE国际电子器件会议（IEDM）上宣布了这些成果。IEEE国际电子器件会议是在12月13 日开幕的。


    近年来，移动设备和数字式消费家电的功能和性能已经有了显着的提高，在将来，这个发展趋势还会继续下去。在开发产品时，由于要求性能更好、功能更强、功耗更低，需要有一项技术能够实现这一切。  

    用于存放数据和其它用途的存储器是一项关键的技术，它起着重要的作用。利用这项技术，产品可以有更多的功能，更好的性能。如今已经研制出各种类型的存储器。为了满足将来的需要，做了很多工作，一方面是改进各种常规的易失性存储器和非易失性存储器，同时研究具有崭新特性的新型的下一代存储器。

    MRAM就是这种新型存储器，它是一种非易失性存储器，在切断电源之后，它能够保留数据，同时工作速度很高。它能够实现常规存储器的各种功能，因此对于MRAM作为下一代存储器，人们寄以很高的期望。

这项新研究出来的技术的详情如下： 

(1)    建立可以实现最优性能的优化方法
MRAM是利用硬盘读出磁头中通常使用的磁性材料以及一种MTJ（磁性隧道结）来存储数据的。MTJ包含一个隧道层。MRAM存储器的性能取决于MTJ的成份和结构。联合研制小组研究了磁阻（MR）比*1和MTJ中的磁阻面积（RA）*2 ，并且进一步运用与读出速度的相关性，从而形成了一个新颖的方法，可以用它找出实现高速度的最优条件。

这种最优化方法是在其它制造商之前开发出来的。研究小组弄清楚了电阻与磁阻比之间的通用关系，因而形成了这种最优化方法。利用这个方法，有可能确定电阻与磁阻比最佳组合。

(2)    使用可以实现高速度以及隧道层最优化的磁性材料
MTJ结构包含一个自由层、一个隧道层和引脚层。瑞萨科技的常规MRAM分别使用 CoFe （铁钴合金：磁性材料）和 AlOx （氧化铝），在工作频率超过100 MHz时，可以达到很高的工作速度，这点已经在试验性生产中得到了证实。

为了达到更高的速度，磁阻比就必须更大，但是用最优化方法进行的研究表明，使用CoFe时，要提高磁阻比是很困难的。因为这点，研究并使用了下面的技术，以便达到更高的速度。

(a)    采用 CoFeB (铁钴硼合金) 磁性材料
运用上述的最优化方法，可以同时开展与材料有关的研究工作。结果发现， CoFeB是一种合适的磁性材料，用它得到的磁阻比可以实现高速运作，然而CoFe并不是合适的磁性材料。正如最优化方法所预计的，使用 CoFeB可以将磁阻比提高大约30 %至70 %。

(b)    隧道层厚度的最优化
只要把磁性材料改成CoFeB就可以提高磁阻比，然而电阻也增大了，但是并不能提高速度。另一方面， 只要把隧道层做得薄一些，就可以降低电阻，但是隧道层过份薄又会带来可靠性方面的问题。研制小组利用现有的最优化方法，找到了隧道层的正确厚度，不仅速度高，而且可靠。这样就有可能把磁阻比做得高，同时电阻也小。

运用上面所说的办法，一个存储单元的感测时间（读取数据的时间）为5.2 ns，读出周期就有希望达到大约7 ns，工作频率就有希望超过143 MHz。后来，在150 ℃的高温环境下进行了一千亿次的写入试验 ，没有出现性能下降的现象。这证实了虽然隧道层的厚度减少了，可靠性仍然很高。 

运用这项新技术，使用4层铜连接线制造一个MRAM原型样品，并且研究了它的效果。所使用的1T-1MTJ结构中，一个存储单元包含一只晶体管和一个MTJ结，TMR（隧道磁阻）组件的尺寸为0.26 × 0.44 μm2 ，实现了世界上尺寸最小的存储器单元，它的尺寸是0.81 μm2。