基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應的STT-MRAM器件存在的兩個弊端

隨著自旋轉(zhuǎn)移矩效應的發(fā)現(xiàn)以及材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應的TT-MRAM器件應運而生。自從自旋轉(zhuǎn)移矩效應被證實以來，一方面研究人員通過大量的努力嘗試降低磁化反轉(zhuǎn)的臨界電流，增加熱穩(wěn)定性；另一方面Sony、Hitachi、Renesas、Crocus、Toshiba、Samsung、Hynix、IBM等多家公司也在積極研發(fā)STT-MRAM。

早期的磁隧道結(jié)采用面內(nèi)磁各向異性（In-Plane Magnetic Anisotropy）。它存在如下兩個弊端：

1）隨著工藝減小，熱穩(wěn)定性惡化。采用面內(nèi)磁各向異性磁隧道結(jié)的存儲壽命取決于熱穩(wěn)定性勢壘和磁各向異性場，面內(nèi)磁各向異性的來源是薄膜平面較大的長寬比。

隨著工藝尺寸的微縮（＜50nm），這種薄膜的邊際效應加劇，會產(chǎn)生顯著的磁渦旋態(tài)，難以保持較高的熱穩(wěn)定性勢壘，甚至穩(wěn)定的磁化也無法存在，這將限制MRAM的存儲密度；

其次面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結(jié)降低了自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率

因此，對于相同的熱穩(wěn)定性勢壘，垂直磁各向異性能夠使磁隧道結(jié)的臨界翻轉(zhuǎn)電流比面內(nèi)磁各向異性的更低，相應地，自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率更高。鑒于上述優(yōu)勢，研究人員也一直致力于采用垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

圖1（a）垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)；（b）沿面內(nèi)和垂直方向的磁化曲線，證明易磁化軸沿垂直方向。

目前最新的低功耗、大容量的MRAM器件均采用垂直磁各向異性磁隧道結(jié)，比如everspin已推出的256Mb STT-MRAM商用產(chǎn)品以及展示的1Gb演示器件采用的就是垂直磁各向異性磁隧道結(jié)。

審核編輯：劉清