SOT MRAM的原理与发展近况(一)

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，对延长数据保存时间(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时代。

但是对于目前能达到的规格，虽然在数据保留时间尚属满意，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翻转机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。