Onderzoekers van het Center for Innovative Integrated Electronic Systems (CIES) aan de Tohoku University hebben met succes microscopische chemische bindingstoestanden waargenomen in ultradun MgO - een belangrijke bepalende factor in STT-MRAM-prestaties. De waarneming werd uitgevoerd via een hoek-opgeloste harde röntgenfoto-elektronspectroscopie (AR-HAXPES) in samenwerking met het Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) in zijn Spring-8 Synchrotron Radiation-faciliteit.

STT-MRAM, een vorm van niet-vluchtig geheugen, is intensief onderzocht en ontwikkeld vanwege de hoge prestaties en het lage stroomverbruik. STT-MRAM bevat magnetische tunnelovergangen (MTJ) als geïntegreerd geheugenelement. Ultradunne MgO-film wordt gebruikt als tunnelbarrière voor MTJ, dus een dominante bepalende factor in STT-MRAM-prestaties. Het is, daarom, belangrijk om de microscopische kenmerken van MgO te begrijpen en in het bijzonder, de chemische bindingstoestand.

Onderzoekers van Tohoku University onder leiding van Prof. Tetsuo Endoh, directeur van CIES en Dr. Testuya Nakamura, groepsleider van JASRI hebben met succes de chemische bindingstoestand van het ultradunne MgO in de gehele MgO-laag waargenomen door middel van AR-HAXPES op SPring-8, 's werelds grootste synchrotronstralingsfaciliteit.

Figuur 1 toont de voorbeeldstructuur die in dit onderzoek is gebruikt. Het is de eenvoudigste MTJ-stack waarin het ultradunne MgO (0,8 nm) is ingeklemd tussen CoFeB-films. De chemische bindingstoestand van het ultradunne MgO in deze studie werd geëvalueerd volgens de richting van de filmdikte.

Figuur 2 toont de microscopische chemische bindingstoestand van de MgO-veranderingen langs de filmdikterichting. Dit resultaat laat zien dat de microscopische bindingstoestand van MgO, iets dat gewoonlijk als homogeen wordt beschouwd in de richting van de filmdikte, verandert eigenlijk afhankelijk van de afstand tot de interface.

De succesvolle observatie van de ultradunne chemische bindingstoestand van de MgO-laag zal leiden tot een verbetering van de MgO-kwaliteit. Dit zal op zijn beurt de ontwikkeling van STT-MRAM versnellen.

Overeenkomstig, een nieuwe synchrotronstralingsfaciliteit (Slit-J) is nu in aanbouw op Aobayama New-Campus aan de Tohoku University in samenwerking met relevante industrieën. De faciliteit zal zorgen voor een beter begrip van microscopische kenmerken van lichtere elementen en hopelijk leiden tot verdere welvaart voor relevante industrieën.