談磁阻式隨機記憶體

前言

當今以0、1訊號做成的數位半導體電子元件主要區分成兩大類：邏輯元件和記憶體元件，邏輯元件主要就是金氧半導體的場效電晶體 (MOSFET)用來控制0、1的開關，至於儲存0、1資料的記憶體元件又分成三大類：靜態隨機記憶體 (SRAM)，由6個電晶體所構成、動態隨機記憶體 (DRAM)，由1個電晶體加上一個電容所構成、快閃記憶體 (FLASH) ，在金氧半導體的場效電晶體的閘極上再加上一浮動閘極，這三類的記憶體各有其優缺點: SRAM 存取反應時間最快但體積大 ，DRAM元件尺寸最小(SRAM的1/4)但最耗電，要不斷的對電容充電，以上兩種記憶體是屬於揮發性記憶體(Volatile)，也就是當電源關掉，所存的0、1資料也會不見了，FLASH則是屬於非揮發性記憶體。而本文要介紹的磁阻式隨機記憶體(MRAM) 是由1個電晶體加上一個磁阻元件所構成，MRAM的反應速度跟SRAM匹配，密度跟DRAM一樣，與FLASH同屬非揮發性記憶體，所以號稱未來的夢幻記憶體，各大半導體廠都競相投入研發^[1]。

磁阻式隨機記憶體如何運作

MRAM的核心是磁阻(Magneto-resistance，簡稱MR)元件，磁阻元件主要的結構是由兩層的金屬磁性薄膜中間再用非磁性薄膜(spacer)隔開，2007年的物理諾貝爾獎得主就是因為發現巨磁阻現象(GMR)而得獎，磁阻的工作原理是：一層磁性薄膜為自由層，可用外加因素來改變其磁化方向，另一層磁性薄膜為固定層或稱參考層，其磁化方向很難改變，當上下兩層磁性薄膜的磁化方向一致時(平行態 parallel)，此磁阻元件的電阻或電壓就比較小，當上下兩層磁性薄膜的磁化方向相反時(反平行態 anti-parallel)，此磁阻元件的電阻或電壓就比較大 圖一，基本上就是利用結構的有序無序而產生不同的電阻差異，我們就可利用這大小電阻的差異來當成0、1訊號。早期的GMR磁阻元件中間非磁性薄膜是用銅或鉻而磁性層則是鈷或鎳鐵合金，磁阻大小[磁阻=(反平行態電阻-平行態電阻)/ 平行態電阻]不過10-20 %，現今的磁阻元件中間非磁性薄膜是用陶瓷絕緣層氧化鎂MgO，而磁性層則是鈷鐵硼合金CoFeB，簡稱TMR或MTJ (Tunneling MR or Magnetic Tunneling Junction )，磁阻大小可高達100-400 %。

圖一、平行態低磁阻/ 反平行態高磁阻

自由層磁化方向如何改變

至於如何改變磁性自由層磁化方向?早期的做法是利用通電流的兩條導線(write line)所產生的加成磁場來磁化 圖二，稱作場驅動翻轉(Field drive)，這種磁化方式缺點是耗能較高、不能高密度。目前和未來的磁化方式是採用自旋力矩轉移(Spin Transfer Torque，簡稱STT-MTJ) 圖三，STT磁化的方式較Field drive複雜，道理簡述如下：物質磁性的方向是由電子自旋方向來決定(spin up and spin down)，在一般非磁性物質例如用來做電流傳輸的銅導線，其所輸送的電流事實上是電子在流動，而這些電子自旋向上和自旋向下的總數是一樣，舉例說明 圖四：每秒總共有10個電子流經導線，自旋向上和自旋向下的電子各有5個，當電子流先通過自旋向上的磁性固定層時，因為能帶的關係，電子會偏好自旋向上的狀態，因此電子流的自旋就會被極化，也就是自旋向上的電子增加為8個，自旋向下的電子減少為2個，這極化後以自旋向上為主的電子流再通過磁性自由層時，便會對自旋向下自由層的電子施一力矩，使其磁化為與固定層相同磁化方向。至於如何使相同磁化方向(自旋向上)轉成相反方向，這時只需改變電子流輸入的方向由磁性自由層注入，只不過這回是由反射的少數電子(自旋向下)來翻轉自由層的方向，由平行態變成反平行態。因為STT是由極化電流直接來驅動磁化而非再經由電流產生的磁場場驅動翻轉間接來磁化，故STT只需場驅動翻轉電流大小的1/10或更少，目前所需驅動磁化的電流密度約10⁶ A/cm²，以圓形28nm元件來估算，用20ns的時間來磁化一個阻值1 kΩ的MTJ元件，只需要7.6×10^-16joule的能量。

圖二、場驅動翻轉型MRAM 結構示意圖

圖三、自旋力矩轉移型MRAM 結構示意圖

圖四、電子流自旋極化示意圖

結論

目前磁阻元件的主要用於感測器與磁碟的讀頭，場驅動翻轉的MRAM也已有量產的商品^[2]，夢幻記憶體STT-MTJ MRAM呢？製程上還有一些問題要改進，像是黃光和蝕刻會影響邊界的粗糙度，磁性層與絕緣層薄膜的品質（晶體結構）和厚度的控制(±< 0.2nm)等，都會擴大MRAM元件之間磁化條件的差異，另外還有如何增加自由層的熱穩定性並減少驅動磁化的電流，更是一大考驗！