夏普发表比MRAM更优秀的非挥发性存储器技术

夏普发表比MRAM更优秀的非挥发性存储器技术

    　　在2002年12月9日开幕的半导体制造技术国际学会“2002 IEDM（IEEE International Electron Devices Meeting）”上，夏普的美国法人下属实验室（Sharp Laboratories of America）、夏普和美国休斯顿大学联合发表了可以在室温下将高阻状态和低阻状态的电阻変化率提高10倍～1000倍的非挥发性存储器“Resistance RAM（RRAM）”。存储元件使用的是CMR（Colossal Magnetoresistive ）薄膜。夏普打算进一步研究开发，以便能够在2005年～2006年供应工业样品。
    
    

　　虽然RRAM的存储元件使用了CMR膜，但其工作原理与MRAM大相径庭。MRAM属于电流驱动型存储器，它通过向线路施加一定的电流来产生磁场，记录单元中的数据可改写。而RRAM为电压驱动型，从这一意义上来看RRAM与DRAM或者FeRAM更相近（不过，RRAM为非破坏读取）。
    
     存储原理如下。RRAM的上部电极（Pt）和下部电极（Pt）之间夹入膜厚200nm左右的CMR膜（图1）。通过控制施加于上部电极和下部电极的电压及脉冲宽度来改变CMR膜的电阻率（图2）。以写入为例，将电压设定为+4.8V，向当前状态为‘0’（低电阻状态）的单元写入\‘1’时，。通过改变写入脉冲宽度，美国夏普实验室发现存在一个CMR膜的电阻率猛增30倍～200倍的脉冲宽度领域（图3）。这一领域非常宽，在使用旋压覆盖方法制作的CMR元件中，脉冲宽度在100ns左右～4μs左右。将电阻変化率应用于存储器，通过控制电压和脉冲宽度，可以模拟性地改变CMR膜的电阻値，因此RRAM也适合多值化（multi level cell）。“可以相对较简单地实现2bit/单元。3bit/单元也不会太难”（美国夏普实验室）。由于具有如上特点，因此有望实现超过MRAM的高集成化。
    
    　　由于RRAM为电压驱动型，因此可以大幅度减少存储单元写入时的耗电量。在制造工艺相当于0.5μm的存储单元（面积为0.8μm×0.8μm）中进行写入操作时，电流为约200μA。而且，随着存储单元面积的缩小，所需的写入电流也会减小。因此0.1μm工艺的单元写入电流仅增大几mA左右，与目前伴随着单元面积的缩小写入电流快速增大的MRAM形成了鲜明对比（表1）。
    
    　　另据美国夏普实验室介绍，RRAM的生产工艺较MRAM简单，也便于混载到逻辑LSI中。原因是与将几nm的薄层叠加多层的MRAM相比，RRAM只采用在上部电极和下部电极之间夹入膜厚200nm的CMR膜的结构。
    
    　　RRAM初步拟定设计两种类型的存储单元结构（表2）。一种是，组合使用CMR膜的单个电阻元件（R）和单个二极管的1R1D结构。逻辑性存储单元面积非常小，只有4F2（F为最小加工尺寸）。另一种是，组合使用CMR膜的单个电阻元件（R）和单个晶体管的1R1T结构。较1R1D结构更容易提高速度性能。
    
    　　此次，美国夏普实验室使用0.5μm的CMOS工艺试制了64bit的存储阵列。单元结构为1R1T。存储单元面积为0.8μm×0.8μm。在试制的存储阵列中，已经确认低阻状态和高阻状态的电阻変化率约为200倍。