Forschern der Tohoku University gelang die Entwicklung einer neuen magnetischen MTJ-Struktur (Magnetic Tunnel Junction), welche eine längere Aufbewahrungszeit für digitale Informationen bei leicht geringerem Energiebedarf ermöglicht.

STT-MRAM

Nichtflüchtige Speicher sind in vielen Bereichen moderner Elektronik von Relevanz, da sich darauf Daten bei geringem Energiebedarf ablegen lassen. Unter den nichtflüchtigen Speichern wurde STT-MRAM (Spin-Transfer-Torque-MRAM) wegen der hohen Lese-/Schreibgeschwindigkeit, dem Betrieb mit niedrigen Spannungen und seiner langen Speicherdauer intensiv erforscht.

Derzeit ist das Anwendung von STT-MRAM noch auf die Unterhaltungselektronik begrenzt. Um STT-MRAM in Bereichen mit höheren Anforderungen wie etwa im Bereich Automotive einsetzen zu können, braucht aber es MTJs mit hoher thermischen Stabilität, welche die mögliche zuverlässige Speicherzeit für Daten bestimmt und gleichzeitig den Energieverbrauch beim Schreiben niedrig hält.
Das Forscherteam rund um Tetsuo Endoh hat neue magnetische Tunnelübergänge mit hoher Zuverlässigkeit für die reduzierten Abmessungen moderner Nanotechnologie entwickelt. Um die thermischen Stabilitätzu erhöhen, war es notwendig, die magnetische Grenzflächen-Anisotropie an der CoFeB/MgO-Schicht zu erhöhen.

 
Thermische Stabilität und Leistungsbedarf von MTJs mit neuer gegenüber herkömmlicher Struktur.
Bild: IEEE & Tohoku University.

Verbesserung

Um die Grenzflächen-Anisotropie zu erhöhen, wurde eine Struktur mit der doppelten Anzahl von CoFeB/MgO-Schichten im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau entwickelt. Obwohl die Erhöhung der Anzahl der Schichten die thermische Stabilität verbessern kann, könnte sie auch den Schreibstrom erhöhen und das Tunnelmagnet-Widerstandsverhältnis der STT-MRAM-Zellen verschlechtern, was zu einer geringeren Lesefrequenz führen würde. Dem Team gelang bei ihrem Aufbau diese negativen Folgen zu reduzieren.
Die thermische Stabilität konnte dabei um den Faktor 1,5 bis 2 erhöht werden, ohne den Schreibstrom und damit die Leistungsaufnahme zu erhöhen oder das Widerstandsverhältnis zu verschlechtern.

Es wird daher davon ausgegangen, dass diese neue MTJ-Technologie auch in rauen Umgebungen wie der Automobilinfrastruktur eingesetzt werden kann. Durch gleiche Materialien wie bei den derzeit in Serie gefertigten STT-MRAMs bleibt auch die Kompatibilität mit bestehenden Fertigungsprozessen erhalten und verspricht damit eine wirtschaftliche Massenproduktion. Die Forschungsergebnisse wurden auf der gerade zu Ende gegangenen Veranstaltung VLSI 2019 in Kyoto präsentiert.