日本在超大容量、低耗電、高性能非易失性存儲器製造上邁進一步

——數納米級磁隧道結元件的運行實驗獲得成果

構成非易失性存儲器STT-MRAM（Spin-Transfer-Torque Magnetoresistive Random Access Memory，以下簡稱：STT-MRAM）主要元件的磁隧道結，對實現工作存儲器的超低耗電、高性能化至關重要。目前，日本東北大學電器通信研究所的大野英男教授等人組成的研究小組，提出了一種新的磁隧道結的結構方式，並在世界最小尺寸（1位數的納米）上成功地實現了運行實驗。此研究成果有望對更大容量、更高性能的工作存儲器的開發做出貢獻。

工作存儲器構成元素的微小化物理界限、製造界限已成為半導體集成電路的深刻問題。目前，在世界範圍內由電流控制磁體的磁化方向，進而表徵和存儲信息的非易失性存儲器STT-MRAM 技術得到了廣泛地研發，並有望在2018年內實現量產。STT-MRAM是已有非易失性存儲器中唯一具有和現有工作存儲器同等性能的存儲器。由STT-MRAM替代現有的工作存儲器，實現低耗電集成迴路，在情報處理通信、IoT技術上有望取得重大進展。

大野英男教授的研究小組於2010年利用「界面磁性異向性」技術開發出磁隧道結元件，確立了直徑20納米的微小化技術。而在更細微化的研究中，同時實現信息的不易消失（熱穩定性）和簡單重寫（電流誘導磁性反轉）成為了技術開發的重要課題。此研究小組，著眼於迄今為止未有效利用的「形狀磁性異向性」技術，提出了利用此技術的新磁隧道結元件方案，並成功製作出最小直徑僅有3.8納米的磁隧道元件。這與其他研究者的研究結果相比非常出眾。經測試證實，其具有足夠的熱穩定性和電流誘導磁性反轉性。其熱穩定性指數取得了目前利用「界面磁性異向性」技術做出的磁隧道結元件所不及的80以上的數值。這一數值可以滿足多數應用程序的需求。並在磁反轉的評價中，在最小直徑8.8納米的元件上取得了確認。

圖（a）此次提案的「形狀磁性異向性」技術的磁隧道結 圖（b）目前「界面磁性異向性」技術的磁隧道結（圖像來源：日本東北大學新聞稿）

因形狀磁性異向性具有獨立於材料的通用性，它適用於各種材料。有望根據應用程序、必要數據的特性、負載功率、負載溫度等條件選擇適應的材料，製作出合適的磁隧道結元件。近年半導體集成電路的微小化已進步到極限的納米級領域，此研究的成果可適用於此極限的微小化狀態。今後應用此技術製作的工作存儲器，有望實現具有100Gb以上的容量，達到現有的100倍。

此研究成果已於2018年2月14日在英國科學雜誌《Nature Communications》的在線速報版上刊登。

文/ 客觀日本編輯部

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