SOT MRAM的原理與發展近況(一)

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。