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。

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