New Principles Computing Research Center의 비 휘발성 메모리 팀 책임자 인 Nozaki Takayuki, 바카라 커뮤니티 (이하 "AIST")리튬 플루오 라이드(LIF) 및산화 마그네슘(MGO)와 결합터널 배리어 레이어(이하 "MTJ 요소") 및바카라 꽁 머니 메모리(MRAM)의 레코드 유지 특성의 지표 역할을합니다 MTJ 요소는 약 1 나노 미터의 터널 배리어 층 (1 백만 분의 밀리미터, "NM"이라고하는 이하)이 바카라 꽁 머니 박막으로 샌드위치되는 구조로 구성되며, 정보는 바카라 꽁 머니 박막의 바카라 꽁 머니 방향에 따라 반대적으로 저장 될 수 있습니다 이 특성을 활용하여 대기 전원이 필요하지 않습니다비 휘발성 메모리이제 가능하고 기존Neumann Computing뇌의 구조 및 정보 처리 방법을 모방하여 고급 정보 처리를 목표로합니다뇌 컴퓨팅또한 고려되고 있습니다 뇌 기반 컴퓨팅에는 막대한 양의 정보 처리가 필요하므로 저전력 소비와 높은 정보 기록 유지 특성을 모두 달성하는 것이 중요합니다 낮은 전력 소비의 관점에서 전통적인현재 쓰기 유형MRAM과 비교하여 전력 소비의 2 자리 감소전압 쓰기 유형 바카라 꽁 머니 메모리에주의를 끌고 있지만, 반면에, 매우 얇은 바카라 꽁 머니 층을 사용해야하므로 높은 레코드 보유 특성이 도전이되기 때문입니다
우리는 LIF와 MGO를 터널 배리어 레이어로 결합하는 복합 터널 배리어 레이어를 사용하여 MTJ 요소의 새로운 구조를 개발했습니다 철 (Fe)과 MGO 사이에 극도로 얇은 LIF의 1-2 원자 층만을 도입함으로써, Fe의 자화 방향은 필름 평면의 수직 방향으로 안정화되고, 수직 바카라 꽁 머니 이방성은 MGO만을 사용하는 종래의 구조보다 약 2 배에 의해 개선된다는 것이 밝혀졌다 이 새로운 구조 MTJ 요소는 전압 쓰기 MRAM에서도 기가비트 수준의 대용량을 허용하며, 저전력 소비와 높은 레코드 보유 특성이 필요한 뇌 컴퓨팅 MRAM의 개발을 가속화하는 기술 일 것으로 예상됩니다 이 기술의 세부 사항은 2022 년 1 월 28 일에 게시 될 예정입니다NPG 아시아 재료에서 온라인으로 게시 됨
이번에 개발 된 MTJ 요소의 단면 TEM 이미지 (왼쪽) 및 정보 유지 특성 개선 효과 (오른쪽)
사물 인터넷 (IoT)과 같은 기술 혁신으로 인해 모든 종류의 전자 장치가 인터넷을 통해 연결되어 IT 장치의 데이터 처리량이 꾸준히 증가하고 있습니다 이러한 기술에서 인공 지능 (AI)의 사용이 특히 중요하지만, 처리하는 정보의 양이 증가하고 있으며 전자 장치의 에너지 소비가 도전이되고 있습니다 뇌 기반 컴퓨팅은 최근 AI 기술의 기능을 개선하고 전력 소비를 낮추는 접근 방식으로 주목을 끌고 있습니다 뇌 유형 컴퓨팅은 뇌입니다뉴런및Synapse의 활동은 유사한 기능을 가진 전자 장치를 모방하려고 시도하지만 시냅스는 정보의 중요성이 아닙니다 "weight"로 저장되므로 메모리 함수는 재생산해야합니다 그러나 기존 메모리로 사용됩니다SRAMyaDRAM정보 처리없이 대기 할 때에도 전력을 소비휘발성 메모리이므로 전력 소비를 줄이는 데 장애가 될 것이라는 우려가 있습니다 이 문제를 해결하는 접근 방식은 전원이 꺼지는 경우에도 정보를 잃지 않는 비 휘발성 메모리를 도입 할 것으로 예상됩니다 즉, 대기 전원이 필요하지 않음을 의미합니다 그중에서도, 비 휘발성 특성을 부여하기 위해 바카라 꽁 머니 특성을 사용하는 MRAM은 고속, 높은 반복적 인 작동 저항과 기존 반도체 프로세스와 높은 친화력을 결합한 비 휘발성 메모리 일 것으로 예상되며, Neumann- 유형 계산에도 적용 할 수 있습니다
AIST는 MRAM을 실현하기위한 핵심 기술로 FE 및 MGO를 결합하는 기본 구조를 갖춘 고성능 MTJ 요소를 이전에 개발했으며 대량 생산 기술에 대한 브리징에 대한 연구에서 세계를 이끌었습니다 (관련 기사 참조)
MTJ 요소는 약 몇 NM의 두께를 가진 바카라 꽁 머니 박막/터널 배리어 층/바카라 꽁 머니 박막의 샌드위치 구조로 구성됩니다 (용어의 경우 MTJ 요소 참조) 장치의 양쪽 끝에 전압이 적용될 때 흐르는 터널 전류의 크기는 두 바카라 꽁 머니 박막에서 자화 방향의 상대적 각도에 의존합니다 이것은,터널 magnetoresistive (TMR) 효과일반적으로, 정보는 하나의 바카라 꽁 머니 박막 (기준 층)에서 자화 방향을 강력하게 고정하고 다른 자화 방향 (기록 층) 만 변경 한 다음 TMR 효과를 통해 저항의 차이에서 정보를 읽음으로써 작성됩니다 자화 방향이 결정되면, 방향은 외부에서 에너지가 적용되지 않는 한, 방향이 반대 기적으로 유지되고 원칙적으로 제로 대기 전원이있는 메모리를 실현할 수 있습니다 현재, 필름 평면에 수직으로 향하는 자화를 갖는 수직 자화 유형 MTJ 요소는 주류이며, 이들이 우수한 큰 커패시턴스를 가지고 있기 때문이다
반영구 정보 저장이라고도하지만 실제로는 실온 또는 작동 환경에서의 열 에너지로 인해 자화 방향이 흔들릴 수있어 정보가 사라질 수 있습니다 고품질 정보 기록 보관 특성을 달성하려면 열 에너지에 굴복하지 않고 특정 방향으로 자화 방향을 유지해야합니다바카라 꽁 머니 열 안정성바카라 꽁 머니 열 안정성은 기록 층의 부피이며Perortic Magnetic anisotropy열 에너지를위한 것입니다 MRAM에서 용량이 클수록 장치 크기가 작기 때문에 일정한 레코드 유지 특성을 유지하려면 수직 바카라 꽁 머니 이방성을 증가시켜야합니다
기존의 전류 쓰기 MRAM에서, Fe와 MGO 사이의 인터페이스에서 표현 된 수직 바카라 꽁 머니 이방성을 사용하는 수직 자화 된 MTJ는 현재 상용화되고있다 반면, 차세대 기술로서 전압 만 사용하여 자화 방향을 제어하는 전압 작성 MRAM은 관심을 끌고 있습니다 Write Power는 현재 중심 모델보다 1 ~ 2 크기가 작고 비 휘발성 메모리이지만 SRAM보다 더 낮은 구동 전력 레벨을 달성 할 수있을 것으로 예상됩니다 그러나 전압으로 쓰기를 수행하기 위해서는 기록 층 필름 두께가 현재 쓰기 유형의 절반 정도 여야하며, 동일한 재료가 사용되면 기록 보존 특성이 절반으로 줄어든다는 문제가 있습니다
이번에는 LIF와 MGO를 결합한 복합 터널 배리어 레이어를 사용하여 새로운 구조 MTJ 요소를 개발하여 새로운 재료를 개발하여 레코드 유지 특성을 개선하기 위해 노력하고 있습니다
이 연구 및 개발은 "AI 칩을위한 기술 개발 및 차세대 작곡 및 고속도의 뇌 모피 시스템의 개발을 가능하게하는"AI CHIPS 및 차세대 연구 개발 및 차세대 컴퓨팅 (NEDO) 하의 국가 연구 개발 기관, NEDO (National Research and Industry and Industric Technology Development Organiz) 하의 아웃소싱 작업의 결과로 얻어졌습니다 (JPNP16007) "
그림 1은 이번에 제작 된 MTJ 요소의 개략도 및 단면입니다변속기 전자 현미경(이하 "단면 TEM") 이것은 사진입니다 크롬 (CR) 언더 레이어에 형성된 Fe 박막은 수직 자화 유형 기록 층입니다 전압 쓰기 유형을 위해 설계되었으며 약 05 nm의 두께가있는 초대형 필름입니다 일반적으로 단일 층은 Tunnel Barrier Layer로 사용되어 있습니다 Fe와 MGO 사이의 필름 두께 방향으로 배열 된 2 층은 또한 절연체이며 현재 MGO/MGO와 같은 주류, MGO/MGO와 같은 터널 장벽 층으로 작용합니다 그러나 전압 쓰기 유형은 매우 얇은 레코딩 층을 사용하기 때문에 이번에는 LIF/MGO 복합 터널 장벽 층을 사용하여 FE 기록 층의 수직 바카라 꽁 머니 이방성이 크게 개선된다는 것을 발견했습니다
그림 1이 시간에 생성 된 리튬 불소 (LIF) 삽입 층이있는 MTJ 요소의 구조적 회로도 (왼쪽) 및 단면 TEM 사진 (오른쪽)
(검은 색 화살표는 각 바카라 꽁 머니 층의 자화 방향을 나타냅니다)
이 실험에서 일반적인 메모리 MTJ 요소와 달리, 우리는 기록 층의 자화가 수직 인 MTJ 요소를 제조하고 기준 층의 자화가 바카라 꽁 머니장 하에서 평면 내면을 향하고 있습니다 (그림 1의 회로도 및 그림 2 참조) 이 요소를 사용함으로써, 레코드 보유 특성의 지표로서 작용하는 수직 바카라 꽁 머니 이방성에 LIF 층을 도입하는 효과를 평가할 수있다 외부 바카라 꽁 머니장이 필름 평면의 원소에 적용될 때 (도 2의 그림에서 빨간색 화살표), 기록 층의 자화는 바카라 꽁 머니장을 향하고, 평행 자화 상태에 접근함에 따라, 요소 저항 값이 감소한다 이 기록 층의 자화를 평면 내 방향 (평행 자화 상태에 넣기 위해) (점선, 그림 2)를 지휘하는 데 필요한 바카라 꽁 머니장의 크기는 수직 바카라 꽁 머니화 상태, 즉 수직 바카라 꽁 머니 이방성을 선호하는 강도를 반영합니다 그림 2는 기존 구조 Fe/MGO (검은 색 라인)의 TMR 효과와 026 nm (1 내지 2 원자 층)의 인터페이스에 삽입되는 Fe/LIF/MGO 구조 (파란색 선)의 TMR 효과를 비교하는 예를 보여줍니다 LIF의 도입은 저항을 약 2 배 정도 포화시키는 데 필요한 바카라 꽁 머니장 (= 수직 바카라 꽁 머니 이방성)을 증가시킨다 이는 기록 보유 특성의 개선에 해당한다 이 기술을 사용함으로써, 기록 층이있는 얇은 전압 작성 유형 MRAM에서도 높은 레코드 유지 특성을 달성 할 수 있습니다
그림 2 자성상 측정을 사용한 수직 바카라 꽁 머니 이방성의 비교 초박형 LIF의 삽입은 수직 바카라 꽁 머니 이방성을 약 2 배나 향상시킵니다
수직 바카라 꽁 머니 이방성을 증가시키는 경우에만 다른 재료 옵션이 많이 있지만 TMR 효과를 잃지 않고 특성을 개선하는 데 실질적으로 사용하는 것이 매우 중요합니다 이번에 사용 된 LIF/MGO 스택은 MGO 터널 배리어 레이어와 같거나TMR 비율13835_13902
이러한 특성 개선으로 인해 전압 쓰기 MRAM은 기존의 전류 작성 MRAM과 유사한 기록 보유 특성을 달성 할 수 있었으며, 기가비트 등급 용량으로가는 경로를 나타냅니다 이는 SRAM 교체를 목표로하는 사양에 해당합니다 기가비트 클래스 전압 쓰기 MRAM은 매우 낮은 전력 소비에 필요한 뇌 유형 컴퓨팅 메모리의 유망한 후보가 될 것으로 예상됩니다 그러나 현재 특성은 DRAM 교체의 용량을 더욱 증가시키기 위해 불충분합니다 이 회사는 기본 층 및 바카라 꽁 머니 층 재료를 포함하여 재료 및 구조 설계에 의해 수직 바카라 꽁 머니 이방성을 두 배로 증가시키고 전압 쓰기 기술을 개발할 계획입니다 또한, 우리는 대량 생산 기술에서 불소 터널 배리어 층으로 MTJ 요소의 가용성을 조사하고 제조 공정의 개발을 개발하는 것을 목표로합니다