2015年12月23日 星期三

STT RAM 簡介 (三) 重要元件參數

STT RAM 的原先目的是要設計成一個快速的非揮發性記憶體。基本上,它想要集 SRAMDRAM flash 的所有好處於一身,又快、又永久儲存、單價又低,變成一統江湖的 universal memory。目前的現況離此一目標還有一段距離。從好的來說,它比 flash 速度快上百倍,比 SRAM DRAM 的資料儲存期要長,比 SRAM 的尺寸要小;從壞的來說,它的速度還追不上 DRAM,遑論 SRAM。而單價比 DRAMflash 都高很多。在節能方面,它雖然比三種記憶都好,但是寫入電流還是太大,影響了它的元件特性。

一個以 MTJ 為儲存單元的元件有以下特性要注意。

壹、熱穩定性

一個位元資料是否能長久保存,要看保存資料的儲存方式與它在外在環境下資料的穩定性。對於 MTJ 來講,資料是靠自由層磁化的方向來保存。磁化的方向,如前所述,可能因為受熱擾動影響而翻轉。所以要提高它的熱穩定性。這個特性可以予以量化,一般稱之為 Δ,為磁各向異性能與熱能的比值。熱能是波玆曼常數 [1] 乘以溫度(克氏溫度),而磁各向異性能基本上與要翻轉磁化方向所需的能量相關。這個比值越大,代表熱能越不可能偶發性的翻轉磁化方向,造成儲存資料的錯誤。

理論上當 Δ值大於 43 MTJ上的資料就可以保持 10年,但是實際上
產業在設計元件時大都將Δ值設定在大於 60以上,以包容生產製造過程中所產生的變異。

Δ值依賴於 MTJ 的薄膜物質、結構、厚度、大小等因素,這是產業的核心技術之一。值得提醒的是資料保留時間對於 Δ 是指數型的依賴。Δ 的些許變化就會對資料保留時間長短造成巨大影響。

貳、TMR 比值

TMR比值已於前文定義,基本上它就約略為 MTJ中兩鐵磁層磁化反平行、平行態的阻值比。當 MTJ通入讀取電流時,檢測放大器接著讀取這狀態的電壓,與一參考電壓比較,判別 MTJ處於平行或反平行的狀態。理論上 TMR 比值越高,平行或反平行的狀態的電壓訊號差距越大,檢測放大器就越快速、正確的讀出訊號。

TMR比值也依賴於 MTJ 的薄膜物質、結構、厚度等因素。理論上是越大越好,但是它也與其它元件特性有一些關連,現在的的元件TMR比值大概介於 100%~200% 之間。

參、寫入電流

最小能夠翻轉自由層磁化方向的電流叫臨界電流。但是磁化方向的翻轉是量子的現象,帶有機率的特性。為了讓寫入可以在較短的時間內確定完成,通常設計上真正的寫入電流要較臨界電流大。

寫入電流與其它的特性也有相關。如果磁各向異性能比較大,要翻轉磁化方向就需要耗費比較大的能量,提供翻轉的力量,也就是要較大的寫入電流。但是寫入電流大則能耗就會升高,還有其它元件的特性會受到影響。

肆、耐受性

電子元件的一個障礙是電子在移動中造成元件結構的損傷,使得其耐受性降低。這個問題在製程微縮的過程中挑戰日益嚴峻,因為元件變得更單薄、更容易因為大電流、高電壓的緣故受損。以 flash 為例,剛問世時的耐受性都保證可以寫入百萬次以上。製程微縮至今,寫入次數的規格驟降至 3,000。原因是元件尺寸變小了,然而要將電子移至儲存的地方或自其中釋出都還是需要相同的高壓,中間所經過的氧化層在重複的操作後終於被穿透 (punch through) 而儲存單元就此失效。

STT RAM 由於在改為 STT 的翻轉機制後,大的寫入電流就流經 MTJ,氧化層 MgO 便反覆受電流經過。MgO 的厚度不能太厚,否則 TMR 效應就消失了,但是太薄就容易受傷。

由以上諸種的元件參數來看,STT RAM 目前的進展尚無法達到當初期望的快速、永久儲存、無窮多的寫入次數的特性。各種元件參數之見還有彼此的關連,譬如如果要長的資料保存時間,可能就要犧牲速度、能耗及耐受性。但是由於這些參數的優劣是可以交互取捨的,所以在此階段 STT RAM 比較實際的設計方式是依應用的目的來優化其中某些參數。長期的發展方向仍是在改良結構、材料、磁化方向翻轉機制,將寫入電流降低至少一個階秩,就有可能達成當初期望的 universal memory 的目的。

References:

2015年12月20日 星期日

STT RAM 簡介 (二) 讀與寫

一個記憶體要能作用,最起碼的功能要有讀與寫,讀取或寫入 MTJ 中所儲存的狀態。讀寫的時候首先控制電晶體,讓電流能流經 MTJ,執行讀取功能。對於 MTJ,讀取其狀態的機制靠穿隧磁阻效應 (TMR; Tunnel MagneticResistance) [1] ,而寫入訊息則依各種物理機制翻轉其自由層磁化的方向,使其與固定層磁化的方向平行或反平行,定義 “0” “1” 的狀態。

壹、穿隧磁阻效應

穿隧磁阻效應是自旋電子學近代的重大發現之一,Albert FertPeter Grünberg 因此獲得 2007年的物理諾貝爾獎。

穿隧磁阻效應是指以電流垂直通過 MTJ 結構時,在兩個鐵磁層的磁化不同的相對方向 (平行或反平行) 會感應到不同的電阻:磁化方向平行時為低電阻;磁化方向反平行時為高電阻。

在感測電阻值時讓電流首先通過固定層,電流中電子的自旋受此固定層磁化影響,與之對齊,術語說電子的自旋被極化 (polarized)。然後此自旋極化的電流流入絕緣體 MgO 層。本來在傳統中絕緣體是不會通電流的,但是在量子力學中仍有穿越的可能性,叫做量子穿隧 (quantum tunneling),這也是穿隧磁阻效應命名的由來。在實際製造時,MgO 氧化層的厚度只有 0.8 nm,大約是二層半原子的厚度,這個數字顯示了半導體技術的進展已經快逼近了人類所能利用原子結構的極限了。接下來此自旋極化方向與固定層磁化方向相同的電流會遇到自由層。如果自由層的磁化與固定層極化的方向是平行的,也就是與電流自旋極化方向平行的,電流會順利通過;如果自由層的磁化與固定層極化的方向是反平行的,也就是與電流自旋極化方向反平行的,則電子的自旋與此自由層的磁化會發生交互作用,變得較難通過。以電子學的觀點,一個就是低電阻態,另一個是高電阻態。

MTJ TMR特性可予以量化,叫做 TMR ratio。它的定義為一比值,分母為低電阻態的阻值,分子為高、低電阻態的阻值差。在理論上這個數值可以達到 1100% 以上,實驗上也已達到 600%以上。但是在現實的應用上 TMR ratio 100%~200%之間,因為 STT RAM的工作特定有需要妥協的地方。

電流流過 MTJ之後會因為電阻值的不同產生不同的電壓降,接著就將此壓降經檢測放大器 (sense amplifier) 讀取,與一參考電壓比較,決定讀出來的訊息是 “0”還是 “1”

讀取 MTJ時所需電流不大,因為只是要量壓降。電流過大,也有誤寫的可能,將自由層反平行態翻轉成平行態。讀取的速度一般也很快,主要是受限於檢測放大器判別的速度。

貳、翻轉機制 (switching mechanism)

要將訊息寫入 MTJ,最主要是能控制、翻轉自由層的磁化方向。因為用以翻轉磁化方向的機制不一,所以在發展的過程中迄今出現三代的結構,分別是場翻轉 (field switch) MRAM、面內 (in-plane) STT RAM以及垂直 SST RAM (pSTT RAM)

1.          場翻轉 MRAM
場翻轉 MRAM 又叫 toggle MRAM,其中的 MTJ 形狀為橢圓形,固定層及自由層的磁化方向均落於薄膜平面之內。其形狀為橢圓形的原因是橢圓的長軸就是磁易軸 (magnetic easy axis) [2],容易形成磁化的方向。它之所以稱為場翻轉的原因是利用於自由層附近金屬線流過電流所造成的磁場來翻轉自由層的磁化方向。由於電流的方向可以改變,而其產生的磁場方向也隨之改變,所以用不同方向的電流就可以翻轉自由層磁化的方向為與固定層磁化方向為平行或反平行。

場翻轉 MRAM 的結構見下圖。


用電流產生磁場來翻轉磁化方向的效率不高,所以其所需寫入電流 (write current) 很大,這是場翻轉 MRAM最大的缺點。以後以 MTJ為儲存單元的記憶體的研發、改良都是圍繞著這個主題進行。又由於磁矩翻轉是機率性的,在需要大電流的條件下,寫入資料的速度 (write speed) 也不快,但已比 flash 的寫入速度快很多,大蓋在 40 ns 上下。

場翻轉 MRAM 在其它方面非常好。由於是以磁化方向來儲存,不怕α幅射線的干擾;資料保留時間 (data retention time) 長達十年以上;又由於大寫入電流並未直接流經較脆弱的氧化層,而是在自由層附近的金屬線通過,其耐受性 (endurance) 非常高,可以重複寫入資料近乎無窮多次,遠高於 flash 3000 次。是一個速度算快的非揮發性 (nonvolatile) 記憶體。但是因為以前所用的生產製程為 8 吋廠製程,成本也較高,所以只應用在追求資料安全、快速寫入的永久性記憶體應用,譬如航太、飛機、高級汽車、企業伺服器等。

2.          In-plane STT RAM

與場翻轉 MRAM MTJ結構相似,形狀為橢圓形,磁化方向也在鐵磁層薄膜平面內,但是翻轉磁化的機制改為自旋力矩移轉 (STTSpin Torque Transfer)

自旋力矩是指電流中的電子自旋有較一致的極化方向,當它遇到不是平行的磁化時,就會產生轉動磁化方向的力矩。


In-plane STT RAM的結構示意圖如下。
讀取 MTJ中資料的方法仍然一樣,但是要在 MTJ 寫入資料的方法變成以電流垂直通過 MTJ的多層結構。當要寫 “0” 時,電流由固定層方面注入,電流中的電子自旋會受到固定層磁化的影響而與之對齊。當這自旋極化的電流達到自由層時,若自由層之磁化方向與固定層磁化方向平行時 (狀態為 “0”),電流順利通過;若自由層之磁化方向與固定層磁化方向反平行時 (狀態為 “1”),電流所攜帶的極化自旋便形成力矩,翻轉自由層的磁化與固定層磁化方向平行 (狀態為 “0”)。所以只要是從固定層的方向注入電流,自由層磁化方向最終的狀態都是與固定層磁化方向平行 (狀態為 “0”)。假設原來的狀態是 “0” 要寫成 “1” 時,則電流要從自由層方向注入。原來自由層與固定層的磁化是平行的,當電流通過自由層時,電子的自旋被極化成大多數與其磁化平行。當這些電子抵達固定層時,由於電子自旋極化方向與固定層磁化平行,大部份電子都順利通過,只有少數電子自旋反平行的會被固定層磁化反射,重新抵達自由層。由於這些被反射的電子自旋極化方向與自由層磁化反平行,所以自由層的磁化方向就被這些反射的電子自旋力矩所翻轉,形成與固定層磁化反平行的方向,是為狀態 “1”

由於是利用電子自旋極化的少數 (minority),又是用反射的機制,需要較大的寫入電流才有辦法翻轉自由層的磁化方向。所以一般寫 “1” 的寫入電流要較寫 “0” 的大 2~3 倍。寫 “1” 的寫入電流也是文獻中所指的寫入電流。

用自旋力矩移轉來翻轉自由層磁化的方向較有效率,因此所需的寫入電流較小,耗電也較少,寫入時間較短,這是一大進步。資料保留時間原則上也能到達十年。但是由於寫入電流直接流經 MTJ,造成電子元件的劣化 (degradation),寫入次數的耐受性驟降到干萬次的水準。雖然這仍比flash的三千次要高很多,但是對於 STT RAM想邁向 DRAM甚至 SRAM應用領域仍形成重大障礙。這些傳統上用來當緩存 (buffer memory) 或高速緩存 (cache) 的記憶體所需的寫入次數耐受性至少要達到 10 12次方以上才能與中央處理器共同工作、吞吐大量資訊。

In-plane STT RAM的產品也問世數年,目前其最大容量已達 64 Mb。它逐漸替代場翻轉 MRAM的部份應用,並且將應用伸入低耗能 (low power) 的領域。

3.          Perpendicular STT RAM

目前場翻轉 MRAM In-plane STT RAM 的單元尺寸 (cell size) 都很大,最主要的原因是其磁各向異性能 (magnetic anisotropy energy) [2] 是由其幾何形狀 (橢圓) 造成的,密度不夠。磁各異向能密度不夠,只能用較大面積來彌補,以維持熱穩定性 (thermal stability),所以面積很難縮小。pSTT RAM主要的改變是用薄膜介面所造成的磁各向異性能 (interfacial magnetic anisotropy),密度較高,其所造成的鐵磁層磁化方向垂直於薄膜表面。而淨效果是單元尺才可以縮減,而且形狀可以改成圓形,較容易生產。其餘的工作機制與 in-plane STT RAM不變。惟為了用介面增加磁各向異性能,增加了許多薄膜層。

pSTT RAM 的結構如下圖。



由於面積縮小,成本得進一步的下降。目前各廠家計劃在未來兩三年內的產品,都紛紛轉為 pSTT RAM

References:

2015年12月19日 星期六

STT RAM 簡介 (一) 基本工作原理

STT RAM (Spin Torque Transfer Random Access Memory) MRAM (Magnetic Random Access Memory) 的一種運作形式,目前主要的用途為記憶體,將來有機會成為儲存器 (storage) ,也可以成為邏輯運算元件,成為電子元件的終極統一元件。

壹、自旋電子學 (spintronics) [1]

過去的半導體利用的電子特性都只用了電荷,像 DRAM 中儲存在電容中的電荷、 flash 儲存在 charge trap 中的電荷 、或者是金屬線、電晶體中流動的電荷。但是電子還有另一個特性自旋 (spin) [2] 以前未被應用到電子元件之中。

自旋是電子的角動量 (angular momentum) [3],它是在量子力學於上世紀發展後被發現的物理量。你可以想像一個快速旋轉的電子由於其上電荷快速轉動、而流動的電荷也就是電流會產生磁場,所以在其轉動軸上-也就是角動量的方向上有一小磁矩 (magnetic moment) [4],注意小磁矩是有方向性的。。所以電子帶有電荷,也帶有磁矩。自旋由於其磁矩的性質,它會與外加磁場交互作用;也可以與物質中原子的軌域角動量 (orbital angular momentum) 交互作用, 稱為自旋軌域作用 (spin-orbit interaction) [5]

為什麼以前只有電荷的特性被應用在積體線路上?因為電荷是守性的,而自旋的方向不是。守恆的量在應用上比較容易,而自旋的方向很容易受到干擾,譬如行經物質時受原子軌域角動量的作用、或者受熱擾動 (thermal fluctuation) [6] 的影響而改變方向,所以不容易當成儲存或攜帶訊息的載體。電子自旋的平均自由程 (mean free path) [7] 一般就只有幾十到幾百奈米之間。

利用電荷的積體線路有個致命的缺點,電荷流動時會因焦耳效應 (Joule effect) [8] 而發熱,這個問題在半導體製程邁向十幾奈米時已經很嚴重了,先進製程的半導體元件大概有近半的能量消耗在無用的發熱上,將來只會更嚴重。相反的,自旋的方向由於凝態物理的研究―特別是在材料上的新發展,已經比較能有效掌控;而自旋方向的翻轉與自旋的傳遞相對的只需要較少的能量,所以在積體線路的未來應用成為主要的研究方向之一。

自旋電子學其實已經被應用於每個人的生活之中,包括硬碟中的讀取頭、GPS 中感應地磁的磁阻感測器 (magnetoresistance sensor) 等,STT RAM 是自旋電子學的另一新應用。

貳、磁性隧道連接  (MTJMagnetic Tunnel Junction) [9]

基本的記憶體單元中通常包括了一個電晶體 (transistor) 和一個儲存單元,譬如 DRAM 中的 1T1C―一個電晶體和一個電容 (capacitor)儲存單元是用以儲存代表 0 1 的訊號,而電晶體則用於讀、寫訊號。STT RAM 則是 1T1M,其中的儲存單元 M 就是 MTJ

典型的 MTJ為多層薄膜結構。其中最核心的四層為上圖中紅框中之四層,由上而下依次為自由層 (free layer)、氧化層、固定層 (fixed layer) 與鎖定層 (pinning layer)。其中自由層與固定的材料為鐵磁性物質 CoFeB,氧化層為 MgO而鎖定層以鉭 (Ta) 為主的多層結構。


鐵磁性物質會有自發性的磁化 (magnetization) [10]。對於薄膜結構,如果沒有特殊外加結構,其磁化的易軸 (easy axis) [11] 為落於平面之中 (in-plane),其詳細的方向會依薄膜的幾何形狀而定,譬如一橢圓狀的磁性薄膜其磁化方向會落在橢圓的長軸上。

氧化層的功用在提供一絕緣層,夾在二鐵磁層之間,形成穿隧磁阻效應 (TMRTunnel MagnetoResistance)

鎖定層的功用為鎖定固定層的磁化方向;而自由層的磁化方向可以翻轉,與固定層的方向平行或反平行。而此 MTJ就由這二種狀態平行與反平行的磁化方向來代表訊息 0 1

雖然在工作原理上一個 MTJ只要這四層,但是由於要優化它在 STT RAM中的工作特性,現在的製程薄膜層數實際已達四十餘層。

References: