Richtlijnen voor magnetische tunneljunctietechnologie met één nanometer

Onderzoekers van de Tohoku Universiteit hebben richtlijnen ontwikkeld voor een magnetische tunnelovergang (MTJ) van één nanometer, waardoor prestatieafstemming mogelijk is om te voldoen aan de eisen van diverse toepassingen, variërend van AI/IoT tot auto’s en ruimtevaarttechnologieën.

De doorbraak zal leiden tot hoogwaardig spintronisch niet-vluchtig geheugen, compatibel met de modernste halfgeleidertechnologieën. De details waren gepubliceerd in het journaal npj Spintronica op 4 januari 2024.

Het belangrijkste kenmerk van niet-vluchtig geheugen is het vermogen om gegevens vast te houden bij afwezigheid van een externe voedingsbron. Bijgevolg zijn uitgebreide ontwikkelingsinspanningen gericht op niet-vluchtig geheugen vanwege het vermogen ervan om het stroomverbruik in geïntegreerde halfgeleidercircuits (IC’s) te verminderen. Prestatievereisten voor niet-vluchtig geheugen variëren afhankelijk van specifieke toepassingen. AI/IoT-toepassingen vereisen bijvoorbeeld snelle prestaties, terwijl auto- en ruimtevaarttechnologieën prioriteit geven aan hoge retentiemogelijkheden.

Spin-transfer koppel magnetoresistief willekeurig toegankelijk geheugen (STT-MRAM), een soort niet-vluchtige geheugentechnologie die gegevens opslaat door gebruik te maken van het intrinsieke hoekmomentum van elektronen, ook wel spin genoemd, heeft het potentieel om enkele van de beperkingen aan te pakken die gepaard gaan met bestaande geheugen technologieën.

De basisbouwsteen van STT-MRAM is de magnetische tunnelovergang (MTJ): twee ferromagnetische lagen gescheiden door een dunne isolerende barrière. Wetenschappers hebben lang geprobeerd de uitdaging aan te gaan om MTJ’s kleiner te maken en tegelijkertijd aan de prestatie-eisen te voldoen, maar er blijven veel problemen bestaan.

STT-MRAM, waarbij gebruik wordt gemaakt van MTJ’s met afmetingen in het bereik van enkele tientallen nanometers, is met succes ontwikkeld voor halfgeleiders in de automobielsector met behulp van 1X nm-technologieknooppunten. Als we vooruitkijken naar toekomstige knooppunten, is het echter nodig om MTJ’s terug te brengen tot nanometers met één cijfer, of X nm, terwijl de mogelijkheid wordt gewaarborgd om de prestaties aan te passen aan specifieke toepassingen.

Om dit te doen, ontwierp de onderzoeksgroep een manier om MTJ’s van één nanometer te ontwikkelen met een CoFeB/MgO-stapelstructuur, een de facto standaard materiaalsysteem. Het variëren van de individuele CoFeB-laagdikte en het aantal [CoFeB/MgO] Dankzij stapels konden ze de vorm en grensvlakanisotropieën onafhankelijk controleren, iets wat cruciaal was voor het bereiken van respectievelijk hoge retentie- en hogesnelheidsmogelijkheden.

Als gevolg hiervan kunnen de MTJ-prestaties worden afgestemd op toepassingen variërend van retentiekritisch tot snelheidskritisch. Met de grootte van enkele nanometers vertoonden vorm-anisotropie verbeterde MTJ’s een hoge retentie (> 10 jaar) bij 150 ° C, terwijl grensvlak-anisotropie verbeterde MTJ’s snelle snelheidsschakelingen bereikten (10 ns of korter) onder 1 V.

“Aangezien de voorgestelde structuur kan worden aangepast aan bestaande faciliteiten in grote halfgeleiderfabrieken, zijn wij van mening dat onze studie een belangrijke bijdrage levert aan de toekomstige schaalvergroting van STT-MRAM”, zegt Junta Igarashi, een van de hoofdauteurs van de studie.

Hoofdonderzoeker Shunsuke Fukami voegde hieraan toe: “Halfgeleiderindustrieën zijn zich over het algemeen bewust van langdurige schaalvergroting. In die zin denk ik dat dit werk een krachtige boodschap naar hen zou moeten sturen dat ze kunnen vertrouwen op de toekomst van STT-MRAM om te helpen bij het inluiden een koolstofarme samenleving.”