日本東北大學現(xiàn)任校長Hideo Ohno領(lǐng)導的研究小組開發(fā)出了世界上最?。?.3nm）的高性能磁隧道結(jié)（MTJ）。該工作有望加速推進物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、汽車等各種應(yīng)用的超高密度、低功耗、高性能非易失性存儲器的發(fā)展。

需求背景

STT MRAM非易失性自旋電子存儲器的開發(fā)有助于降低半導體器件發(fā)展中不斷增加的功耗。將STT MRAM集成到先進集成電路中的關(guān)鍵是擴展磁隧道結(jié)—STT MRAM的核心部件，同時提高其數(shù)據(jù)保持和寫入操作的性能。

研究基礎(chǔ)

該研究小組在2018年提出了形狀各向異性MTJ，已經(jīng)顯示出MTJ可縮放到個位數(shù)納米，同時實現(xiàn)足夠的數(shù)據(jù)保持（熱穩(wěn)定性）性能。在形狀各向異性MTJ中，通過使鐵磁層變厚來增強熱穩(wěn)定性。然而，一旦厚度超過一定程度，器件的可靠性就會下降。

研究突破

為了解決傳統(tǒng)形狀各向異性MTJ中單一鐵磁結(jié)構(gòu)[下圖(a)]的問題，該課題組采用了一種新的結(jié)構(gòu)，即采用磁靜耦合多層鐵磁體[下圖(b)]。在多層鐵磁結(jié)構(gòu)中，通過增強界面各向異性可以提高器件性能，由于磁致伸縮，兩個鐵磁體表現(xiàn)為單磁體。這使得鐵磁層在保持高熱穩(wěn)定性的同時變得更薄。

性能優(yōu)勢

開發(fā)的MTJ成功地縮小到2.3nm的直徑--這是世界上最小的MTJ尺寸，還表現(xiàn)出高達200℃的高數(shù)據(jù)保持特性，以及在個位數(shù)納米尺度下低至1V以下10ns的高速和低電壓寫入操作。

意義

該研究的第一作者Butsurin Jinnai說：“該性能證明了所開發(fā)的MTJ能夠與未來先進集成電路協(xié)同工作，由于其與標準MTJ材料體系CoFeB/MgO的材料兼容性，所提出的MTJ結(jié)構(gòu)可以很容易地在現(xiàn)有MTJ技術(shù)中采用?！闭n題組認為，這將加快開發(fā)超高密度、低功耗、高性能的存儲器，滿足物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和汽車等多種應(yīng)用。

High-Performance Shape-Anisotropy Magnetic Tunnel Junctions down to 2.3 nm, Butsurin Jinnai*, Junta Igarashi*, Kyota Watanabe, Takuya Funatsu, Hideo Sato, Shunsuke Fukami, and Hideo Ohno. Conference: IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM)

https:///news/2020-12-world-smallest-high-performance-magnetic-tunnel.html