Onderzoekers van de Tohoku University hebben de demonstratie aangekondigd van een high-speed spin-orbit-torque (SOT) magnetoresistieve random access geheugencel die compatibel is met 300 mm Si CMOS-technologie.

De vraag naar low-power en high-performance geïntegreerde circuits (IC's) is toegenomen naarmate apparaten voor kunstmatige intelligentie (AI) en Internet-of-Things (IoT) op grotere schaal worden gebruikt. Met de huidige IC's puur op CMOS gebaseerde geheugens zoals embedded Flash-geheugen (eFlash) en statisch willekeurig toegankelijk geheugen (SRAM) zijn verantwoordelijk voor een groot deel van het stroomverbruik. Om het stroomverbruik te verlagen en tegelijkertijd hoge prestaties te behouden, magnetoresistieve random access memorys (MRAM's) zijn intensief ontwikkeld. Spin-transfer koppel MRAM's (STT-MRAM's) zijn de meest intensief ontwikkelde MRAM's. Grote halfgeleiderbedrijven hebben nu aangekondigd dat ze klaar zijn voor massaproductie van STT-MRAM voor eFlash-vervanging.

Onderzoekers streven ernaar om SRAM te vervangen door MRAM. Voor SRAM-vervanging, MRAM moet een snelle werking boven 500 MHz bereiken. Om aan de vraag te voldoen, een alternatief MRAM, zogenaamde spin-orbit torque MRAM (SOT-MRAM) werd voorgesteld, wat verschillende voordelen heeft voor snelle bediening. Door deze voordelen, SOT-MRAM is ook ontwikkeld; echter, de meeste laboratoriumonderzoeken richten zich op de fundamenten van SOT-apparaten. Om SRAM-vervanging door SOT-MRAM te realiseren, het is vereist om de hoge prestaties van een SOT-MRAM-geheugencel op een 300 mm CMOS-substraat aan te tonen. In aanvulling, het is noodzakelijk om het integratieproces voor SOT-MRAM te ontwikkelen, bijv. thermische tolerantie tegen 400 °C gloeien, wat een vereiste is van het standaard CMOS back-end-of-line proces.

Het onderzoeksteam onder leiding van professoren Tetsuo Endoh en Hideo Ohno - de huidige president van Tohoku University - heeft een integratieproces ontwikkeld voor SOT-apparaten die compatibel zijn met 55 nm CMOS-technologie en vervaardigde SOT-apparaten op CMOS-substraten van 300 mm. Het nieuw ontwikkelde SOT-apparaat heeft tegelijkertijd een snelle omschakeling tot 0,35 ns en een voldoende hoge thermische stabiliteitsfactor (E/k _B T 70) voor de snelle niet-vluchtige geheugentoepassingen met robuustheid tegen uitgloeien bij 400 °C. Op basis van deze prestatie het onderzoeksteam heeft het SOT-apparaat geïntegreerd met CMOS-transistors en heeft uiteindelijk de snelle werking in complete SOT-MRAM-geheugencellen gedemonstreerd.

Deze prestaties hebben de problemen aangepakt om SOT-MRAM praktisch te maken voor commerciële toepassingen en bieden zo een manier om SRAM te vervangen door SOT-MRAM, die zal bijdragen aan de realisatie van hoogwaardige elektronica met een laag stroomverbruik.

De resultaten zullen worden gepresenteerd op de IEEE International Electron Devices Meeting 2019 in San Francisco, 7-11 december 2019.