HUE-MING
活动+

SOT MRAM的原理与发展近况(一)

  • 林育中

MRAM的储存单元是磁穿隧结(Magnetic Tunnel Junction),是两层磁性薄膜中间夹以一层氧化层(氧化镁)。Everspin

最近pSTT MRAM逐渐在各大代工厂进入量产阶段,初步的工程工作算是一个阶段的完成。有时候pSTT MRAM又叫做第三代MRAM,代与代之间基本上是以翻转磁矩的机制来区分的。

MRAM的储存单元是磁穿隧结(Magnetic Tunnel Junction;MTJ),是两层磁性薄膜中间夹以一层氧化层,即氧化镁(MgO)。有一层磁性薄膜的磁矩是被固定住的,叫扎钉层(pinned layer);有一层则是可以翻转的,叫自由层(free layer)。当两层磁性薄膜的磁矩方向平行(Parallel;P),电流容易从扎钉层通过自由层,反平行(Anti-Parallel;AP)则难通过,以此来区别MTJ储存信息的0与1。

第一代MRAM叫toggle MRAM,磁性薄膜的磁矩落在薄膜平面上。翻转磁矩的机制是靠MTJ外导线中电流产生磁场,以不同方向的磁场来翻转自由层磁矩到不同方向。由于导线产生的磁场只有一小部分真正用于翻转磁矩,效率很差,需要很大的电流。然而对于有些利基应用,这已是可以商业化的产品,也在市场上出现近10年。

第二代MRAM用自旋转矩移转(Spin Torque Transfer;STT)来翻转磁矩。譬如要将MTJ写成磁矩平行态,就让电流从扎钉层通过。电流中电子所携带的自旋会被磁矩偏极化,因此电流还带有自旋流(spin current)。当这电流穿隧过氧化层后,若自由层的磁矩处于反平行状态,就会受到此自旋流转矩的影响而翻转成平行状态。若要将平行状态翻转成反平行,则电流从自由层端流入,电子先穿过自由层而自旋受其极化,再穿隧过氧化层到达扎钉层。自旋方向与扎钉层磁矩方向一致的就顺利穿透扎钉层,相反的就反射回头走,再次穿隧氧化层,进而将自由层的磁矩翻转成反平行态。机制复杂些,效率也稍差一些。

第三代MRAM的改善在于增加磁化密度,方法是利用氧化镁与磁性薄膜之间的界面磁各向异性(interfacial magnetic anisotropy)让磁矩站起来——这也是pSTT MRAM中p (perpendicular)字的来源,磁矩垂直于薄膜面。磁矩的密度大,对延长资料保存时间(retention time)有帮助,也可用以换取于减少尺寸。这就是现在用于量产的技术世代。

但是对于目前能达到的规格,虽然在资料保留时间尚属满意,可靠性高,但是在写入电流(~50µA)、功耗、写入速度(~10ns)、单元面积(~50f2)等特性皆与理想的数字还有些差距。究其基本原因,是STT翻中转制中携带自旋流的载子为电子,而电子的质量很轻,只有质子的1/1840。而学过最基础物理的都知道,力或者转矩都与质量成正比,因此既使电流可以携带自旋流而对磁矩产生转矩,效率不会太高。因为翻转效率低,所以写入速度慢,电流要大、功耗也大。又因为要提供较大电流,需要较大的CMOS,比MTJ还大,成为微缩瓶颈。

所以脑筋就动到自旋轨道交互作用(spin-orbit interaction)上了。在量子力学中,自旋与原子轨域的角动量可以交互作用,但这力或转矩的根源是原子核。而原子序愈大的原子,自旋轨道交互作用愈大;在有些特殊的物质,譬如拓朴绝缘体(topological insulator),其表面也有异常大的自旋轨道交互作用。利用自旋轨道转矩(Spin Orbit Torque;SOT)效应来翻转MTJ中自由层的磁矩,这就是SOT MRAM,或者诨称第四代MRAM。

现为DIGITIMES顾问,1988年获物理学博士学位,任教于中央大学,后转往科技产业发展。曾任茂德科技董事及副总、普天茂德科技总经理、康帝科技总经理等职位。曾于 Taiwan Semicon 任咨询委员,主持黄光论坛。2001~2002 获选为台湾半导体产业协会监事、监事长。现在于台大物理系访问研究,主要研究领域为自旋电子学相关物质及机制的基础研究。