日本東北大學國際整合電子研發中心（簡稱「CIES」）的一個研究小組成功開發了用於高溫環境下的1Xnm工藝高可靠性磁隧道結（MTJ），與採用以往技術開發的MTJ在125℃的工作溫度下的資料保存週期相比，在 150℃工作溫度下也能將資料保存週期延長至前者的100萬倍。而150℃正是車載、社會基礎設施等高溫工作環境所需要的。
利用磁鐵性質的非揮發性記憶體——磁性隨機存取記憶體（STT-MRAM）是實施低功耗電子的基礎技術。利用現有技術，只能在符合普通電子設備要求的最大85℃的工作溫度下獲得足夠的資料保存週期，因此用途僅限於普通消費類產品。爲了在汽車和社會基礎設施等嚴酷的環境下使用，就要開發在更高的工作溫度下也能確保足夠的資料保存週期的MTJ技術。
研究小組此次開發了一項新技術，透過最適化四個界面的界面垂直度磁特性，實施了可作爲一個磁鐵工作的新型元件。不過，擁有四個界面的i-PMA型MTJ（界面垂直度磁各向異性MTJ）元件由於磁強度強化，存在寫入電流增加的課題。爲此，研究小組還開發了降低MTJ元件寫入電流的技術。透過結合上述兩項技術，使擁有四個界面的i-PMA型MTJ元件實施了與原來的雙面i-PMA型MTJ元件相同的寫入電流。由此在全球首次實施了在不增加寫入電流的情況下，將負責穩定磁鐵的i-PMA界面由原來的兩個增加到四個（圖1）。
圖1：本次研究提出的擁有四重界面的i-PMA型四重界面MTJ元件（a）和原來的雙重界面MTJ元件（b）。
研究小組利用四重界面MTJ結構，製作了直徑爲50～90奈米的MTJ元件，評測了熱穩定性指數（決定資料保存週期的器件特性值）及寫入電流（決定能量消耗的器件特性值）。結果顯示，隨着界面由兩個增至四個，第一個課題——熱穩定性指數（資料保存特性）如預期一樣增至約2倍（圖2（a））。這是全球首次實施如此高的性能，與採用現有MTJ技術在125℃的工作溫度下保存資料的時間相比，在150℃的運行環境下也能將資料保存週期延長至100萬倍。另外，關於第二個課題寫入電流，儘管隨着界面由兩個增至四個，屏障層的數量也增加了，但經過驗證發現，能以與原來相同的寫入電流工作（圖2（b））。
圖2：（a）本次研究製作的四重界面MTJ元件與原來的雙重界面MTJ元件的熱穩定性指數Δ（決定資料保存週期的器件特性值）比較。
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文：JST客觀日本編輯部
