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” 與 “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 Fert與Peter 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的 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在 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 的 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的 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 (STT；Spin 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的 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與 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:

[1]: https://en.wikipedia.org/wiki/Tunnel_magnetoresistance

[2]: https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_anisotropy