국립 선진 산업 과학 기술 연구소 (Yoshikawa Hiroyuki 회장) (이하 "AIST"), 전자 연구 부서 [Wada Toshimi 회장] 및 일본 과학 및 기술 기관 (Okimura Noriki 회장) (이하 "jst") (다음 기부금 비 전환 메모리)입니다MRAM (Magnetorestive Random Access Memory)터널 magnetoresistive (라이브 바카라 (터널 자기 정상)) 요소명확 해지고 출력 전력을 크게 증가 시켰습니다 MRAM의 높은 통합을위한 새로운 지침을 통해 향후 대량 생산 공정에 적용 할 계획입니다
○ 산화 마그네슘을 사용하여 라이브 바카라 요소에서 거대한 자력을 생성하는 메커니즘
산화 마그네슘터널 장벽의 재료가 거대한 자기 정전기를 나타내며 차세대 MRAM의 핵심이 될 것으로 예상되지만, 메커니즘에 대한 세부 사항은 명확하지 않았습니다
이번에는 상이한 두께로 산화 마그네슘의 터널 장벽으로 구성된 라이브 바카라 요소를 제조하고 자성상을 측정했으며, 자기 정상이 주기적으로 변동하는 새로운 현상을 성공적으로 관찰했습니다 이론적으로 서부 연구원들은 새로운 라이브 바카라 장치에서 전류를 운반하는 전자가 장치를 통해 전파되는 동시에 "파동 성"(전자의 파도로 전자의 특성)을 유지한다고 예측했지만,이 이론은이 이론을 보여준 최초의 이론이었다
○ 라이브 바카라 요소의 출력을 성공적으로 늘 렸습니다
우리는 원자 수준에서 산화 마그네슘의 터널 장벽을 평평하게한다는 것이 우수한 전자 진동을 유지하여 출력 전압이 향상된다는 것을 발견했습니다 실제로, 터널 배리어 인터페이스에서 원자 배열이 거의 중단되지 않은 프로토 타입의 라이브 바카라 요소에 의해, 우리는 세계 최고 출력 전압 (550MV) (지금까지 380MV)을 달성했습니다
MRAM의 높은 통합을 달성하기 위해 라이브 바카라 요소의 출력 전압을 증가시키는 것이 매우 효과적입니다 이 성과는 다중 계층 라이브 바카라 요소를 가능하게하며 MRAM의 높은 통합에 크게 기여할 것입니다 (현재의 경우)
또한, 위의 연구 결과는 AIST와 JST 사이의 계약을 기반으로하며 JST 전략적 크리에이티브 리서치 프로모션 프로젝트의 개별 연구 (Sakigake 유형)의 "나노 및 물리적 특성"연구 주제에서 "슈퍼gbit-mram에 대한 단결정 라이브 바카라 장치 개발"의 연구 과정에서 얻었습니다 [연구원 Yuasa Shinji]
이 성과에 대한 자세한 내용은 British Journal of Science자연 재료2004 년 12 월 1 일 호에 게시 [Breaking News Digital Edition 10 월 31 일] (제목:단결정 FE/MGO/FE 자기 터널 접합부에서의 거대한 실내 온도 자기 자력저자 : Yuasa Shinji, Nagahama Taro, Fukushima Akio, Suzuki Yoshishige, Ando Isao)
MRAM (magnetoresistive random access memory) ISDRAM (동적 임의 액세스 메모리)[그림 1 참조] 해외에서 Motorola와 IBM은 개발을 시작한 최초의 개발이었으며 16Mbit MRAM은 이미 프로토 타입으로 만들어졌습니다 한편, 일본에서 NEC와 Toshiba는 약 2 년 후 국가 프로젝트를 시작하면서 2003 년에 본격적인 개발을 시작했습니다
라이브 바카라 요소 [그림 2 참조]는 MRAM의 핵심입니다 기존의 라이브 바카라 장치에서, 산화 알루미늄은 터널 장벽의 재료로 사용되어왔다 대조적으로, AIST는 이전에 더 큰 터널 자기 저항 효과를 달성하기위한 터널 장벽으로 산화 마그네슘을 사용하여 새로운 라이브 바카라 장치를 개발하여 획기적인 고성능 (실온에서 230% 마그네토 레스터)을 달성했습니다 (AIST 프레스 발표 : 9 월 7 일) 그러나, 그러한 거대한 자기 정상을 얻을 수있는 메커니즘에 대해서는 알려지지 않은 많은 사람들이 있으며, 지금까지 잘 이해되지 않았습니다
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그림 2 라이브 바카라 장치의 라이브 바카라 (Tunnel Magnetoresistive) 효과
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(1) 산화 마그네슘을 사용하여 새로운 라이브 바카라 장치에서 거대한 마그네토스탄을 생성하는 메커니즘을 보여줍니다
금속과 반도체를 통해 흐르는 전류는 전하가 함유 된 입자 (전자)가 움직이고 전파함에 따라 흐릅니다 이러한 전자는 모두 입자이며 "파도"의 특성 (파동 특성)을 갖는다
기존의 라이브 바카라 요소의 터널 장벽을위한 재료 인 산화 알루미늄은비정형그것이 물질 (원자의 불규칙한 배열이있는 물질)이기 때문에 전류가 흐르는 경우 터널 장벽에 전자가 흩어져 진동 손실을 초래합니다 [그림 3 (a) 참조] 대조적으로, 새로운 라이브 바카라 장치에서, 터널 장벽의 산화 마그네슘은 결정 (정기적 인 원자 배열을 갖는 물질)이기 때문에, 전류가 흐르면 전자가 흩어져 있지 않고 계속 움직이지 않을 것으로 예측된다 [그림 3 (b)] 미국 연구원의 이론 (WHButler, 2001)에 따르면, 진동을 유지하면서 전자가 전파되는 현상은 거대한 자기 정상의 출현을위한 필수 조건이다 그러나이 현상이 실제로 발생하는지 여부는 현재까지 입증되지 않았습니다
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| (a) 터널 배리어가 산화 알루미늄 (비정질 물질) 인 경우 원자는 불규칙적으로 배열되기 때문에 전자가 흩어지고 진동이 손실됩니다 |
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(b) 터널 장벽이 산화 마그네슘 (단결정) 인 경우 원자는 규칙적으로 배열되기 때문에 전자는 흩어져 있지 않으며 여전히 진동이 유지되는 상태에서 곧바로 진행될 것으로 예상됩니다 |
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그림 3 : 기존의 라이브 바카라 요소 및 새로운 라이브 바카라 요소
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이번에는매우 높은 진공 증착 방법를 사용하여, 고품질 산화 마그네슘 및 철 전극의 터널 장벽으로 구성된 라이브 바카라 요소를 제조하고, 자기 저항성을 측정함으로써, 자력이 산화 마그네슘의 두께가 변화 할 때 주기적으로 새로운 현상을 성공적으로 관찰했습니다 [그림 4] 그림에서 빨간색 화살표의 두께가 표시되면 자기 정상이 증가하고 파란색 화살표의 두께가 표시되면 자기 정상이 감소합니다 이 현상의 메커니즘은 전자의 진동 특성과 관련이 있습니다 [그림 5 참조] 산화 마그네슘에서, 전자파는 일정 길이 (주기)를 갖는다 이론적으로 산화 마그네슘에 정수 (1, 2, 3 등)의 파가있을 때, 자기 저항이 감소되고, 반 인구 (05, 15, 25 등)의 파도가 증가 할 것으로 예상된다 다시 말해,이 시간이 관찰 된 자성상의주기적인 변동은 전자가 진동 특성을 유지하면서 요소를 통해 전파된다는 직접적인 증거입니다 이 발견은 진동 특성을 유지하면서 전자가 전파 될 때 거대한 자성상이 나타날 수 있다는 사실을 처음으로 입증되었습니다
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그림 4 : 터널 배리어 (산화 마그네슘)의 두께가 변하면 자기 정상이 변동 (진동)이 주기적으로 변동합니다 붉은 화살표의 두께는 큰 자기 정전기를 제공하고, 푸른 화살표의 두께는 작은 자기 정전기를 제공합니다
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그림 5 산화 마그네슘 층에 정수 (1, 2, 3 등)가있는 파도가있을 때, 자성상이 작아지고, 반 인구 (05, 15, 25 등)의 파동이 더 커집니다
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(2) 라이브 바카라 요소의 출력을 성공적으로 늘 렸습니다
MRAM의 높은 통합을 달성하기 위해서는 라이브 바카라 요소의 출력 전압을 높이는 것이 매우 중요하지만,이 목적을 위해서는 (i) 자기 정전기 개선 및 (ii) 전압 특성 개선이 필요합니다 [그림 6 참조] 다양한 프로토 타입을 실험함으로써 산화 마그네슘의 터널 장벽을 평평하게하면 전자의 진동 특성이 향상되어 라이브 바카라 요소의 전압 특성이 향상됩니다 산화 마그네슘을 200 ° C로 제조하기위한 온도 (이전에 실온에서 제조)를 높이면 터널 장벽과 전극 사이의 계면을 원자 수준에서 평평하게하여 원자 교란이 매우 낮은 라이브 바카라 요소를 달성하여 전압 특성을 성공적으로 개선했습니다 결과적으로 세계에서 가장 높은 출력 전압 (550MV)을 달성했습니다 이것은 이전 최고 값 (380mv)보다 훨씬 높은 출력 전압입니다 [그림 8]
이러한 높은 출력 전압을 사용하면 MRAM의 다층 저장이 가능합니다 현재 MRAM은 하나의 라이브 바카라 요소 만 트랜지스터 상단에 쌓이는 구조입니다 (그림 1 참조) 그러나, 높은 출력 전압을 나타내는 새로운 라이브 바카라 요소를 사용하면 트랜지스터에 라이브 바카라 요소의 여러 층 (약 4 층)을 쌓을 수있어 MRAM의 높은 통합 (이전 모델의 4 배)을 달성 할 수 있습니다 각 라이브 바카라 요소를 소형화함으로써 MRAM의 높은 통합을 달성 할 수 있지만이 경우 쓰기 전력을 줄이는 또 다른 문제를 해결해야합니다 반면에 MRAM이 다층으로 고도로 통합 될 때 Write Power는 문제가되지 않습니다 따라서 다층 메모리는 MRAM의 높은 통합을위한 쉬운 솔루션이라고 할 수 있습니다
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| 라이브 바카라 요소에 전압을 적용하면 자기 저항이 줄어 듭니다 이것을 전압 특성이라고합니다 라이브 바카라 요소의 출력 전압을 늘리려면 (i)증가 된 자성상및 (ii)개선 된 전압 특성필요합니다 |
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그림 6 전압 특성과 라이브 바카라 요소의 출력 전압의 관계
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그림 7 라이브 바카라 요소의 단면의 전자 현미경 사진
산화 마그네슘 층에서 볼 수있는 백 입자는 원자입니다 원자는 정기적으로 배열되어 거의 혼란이 거의없는 고품질의 "결정"이라는 것이 분명합니다
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그림 8 라이브 바카라 요소의 출력 전압 이력
빨간색 △ 대량 생산 기술 (스퍼터링 방법)을 사용하여 생성 된 라이브 바카라 요소를 표시합니다
빨간색 마크는 초고 진공 증착 방법으로 만든 라이브 바카라 재료입니다 |
이번에 얻은 결과를 더욱 고려함으로써, 우리는 라이브 바카라 요소의 출력을 증가시키는 기술이 스퍼터링 필름 형성의 대량 생산 공정에 적용되는 방법을 실현하는 것을 목표로한다