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SOT MRAM的原理與發展近況(一)

  • 林育中

MRAM的儲存單元是磁穿隧結(Magnetic Tunnel Junction),是兩層磁性薄膜中間夾以一層氧化層(氧化鎂)。Everspin

最近pSTT MRAM逐漸在各大代工廠進入量產階段,初步的工程工作算是一個階段的完成。有時候pSTT MRAM又叫做第三代MRAM,代與代之間基本上是以翻轉磁矩的機制來區分的。

MRAM的儲存單元是磁穿隧結(Magnetic Tunnel Junction;MTJ),是兩層磁性薄膜中間夾以一層氧化層,即氧化鎂(MgO)。有一層磁性薄膜的磁矩是被固定住的,叫扎釘層(pinned layer);有一層則是可以翻轉的,叫自由層(free layer)。當兩層磁性薄膜的磁矩方向平行(Parallel;P),電流容易從扎釘層通過自由層,反平行(Anti-Parallel;AP)則難通過,以此來區別MTJ儲存資訊的0與1。

第一代MRAM叫toggle MRAM,磁性薄膜的磁矩落在薄膜平面上。翻轉磁矩的機制是靠MTJ外導線中電流產生磁場,以不同方向的磁場來翻轉自由層磁矩到不同方向。由於導線產生的磁場只有一小部分真正用於翻轉磁矩,效率很差,需要很大的電流。然而對於有些利基應用,這已是可以商業化的產品,也在市場上出現近10年。

第二代MRAM用自旋轉矩移轉(Spin Torque Transfer;STT)來翻轉磁矩。譬如要將MTJ寫成磁矩平行態,就讓電流從扎釘層通過。電流中電子所攜帶的自旋會被磁矩偏極化,因此電流還帶有自旋流(spin current)。當這電流穿隧過氧化層後,若自由層的磁矩處於反平行狀態,就會受到此自旋流轉矩的影響而翻轉成平行狀態。若要將平行狀態翻轉成反平行,則電流從自由層端流入,電子先穿過自由層而自旋受其極化,再穿隧過氧化層到達扎釘層。自旋方向與扎釘層磁矩方向一致的就順利穿透扎釘層,相反的就反射回頭走,再次穿隧氧化層,進而將自由層的磁矩翻轉成反平行態。機制複雜些,效率也稍差一些。

第三代MRAM的改善在於增加磁化密度,方法是利用氧化鎂與磁性薄膜之間的界面磁各向異性(interfacial magnetic anisotropy)讓磁矩站起來——這也是pSTT MRAM中p (perpendicular)字的來源,磁矩垂直於薄膜面。磁矩的密度大,對延長資料保存時間(retention time)有幫助,也可用以換取於減少尺寸。這就是現在用於量產的技術世代。

但是對於目前能達到的規格,雖然在資料保留時間尚屬滿意,可靠性高,但是在寫入電流(~50µA)、功耗、寫入速度(~10ns)、單元面積(~50f2)等特性皆與理想的數字還有些差距。究其基本原因,是STT翻轉機制中攜帶自旋流的載子為電子,而電子的質量很輕,只有質子的1/1840。而學過最基礎物理的都知道,力或者轉矩都與質量成正比,因此既使電流可以攜帶自旋流而對磁矩產生轉矩,效率不會太高。因為翻轉效率低,所以寫入速度慢,電流要大、功耗也大。又因為要提供較大電流,需要較大的CMOS,比MTJ還大,成為微縮瓶頸。

所以腦筋就動到自旋軌道交互作用(spin-orbit interaction)上了。在量子力學中,自旋與原子軌域的角動量可以交互作用,但這力或轉矩的根源是原子核。而原子序愈大的原子,自旋軌道交互作用愈大;在有些特殊的物質,譬如拓樸絕緣體(topological insulator),其表面也有異常大的自旋軌道交互作用。利用自旋軌道轉矩(Spin Orbit Torque;SOT)效應來翻轉MTJ中自由層的磁矩,這就是SOT MRAM,或者諢稱第四代MRAM。

現為DIGITIMES顧問,1988年獲物理學博士學位,任教於中央大學,後轉往科技產業發展。曾任茂德科技董事及副總、普天茂德科技總經理、康帝科技總經理等職位。曾於 Taiwan Semicon 任諮詢委員,主持黃光論壇。2001~2002 獲選為台灣半導體產業協會監事、監事長。現在於台大物理系訪問研究,主要研究領域為自旋電子學相關物質及機制的基礎研究。