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。
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