磁阻式隨機存取記憶體技術的發(fā)展(編輯修改稿)
2025-08-23 22:30 本頁面
【文章內容簡介】 膜之一大特點是在於兩層鐵磁層中有一層絕綠薄膜，厚度在幾個奈米以下，其主要結構如圖八所示。理論上許多不同的絕緣物質都可使用，不過報導中，最多的是氧化圖五、星狀圖（Asteroid）：在星狀圖所圍的區(qū)域外，為磁化翻轉區(qū)。而在星狀圖的區(qū)域內，為磁化非翻轉區(qū)。鋁(Al2O3)其次如MgO或其他氧化絕緣物質也偶有使用。目前國際間報導之TMR薄膜以金屬鐵磁層/絕緣層/金屬鐵磁層為主要結構，其中金屬鐵磁層部分可由Fe,Co,Ni等作適當之調配而成。而絶緣層部分大多使用氧化鋁，雖然文獻中之磁阻質己達到40%~70%，但仍有一些問題，其中最嚴重的有2項；一是電流的非線性效應也就是MR值與偏壓的大小有關，雖然理想的MR比率可達~70%但改變電壓可能減小MR值。另外一個更嚴重的問題則是TMR薄膜的電阻太大(~1KΩ)，因此電流很小，為了要減少電阻值，最直接的辦法則是將絶緣層做薄。然而目前發(fā)現(xiàn)當絕緣層降至~7197。時,有嚴重的短路現(xiàn)象發(fā)生，因此電阻降低則受到限制，造成TMR材料的最大困難。VoutH＋H－“0” state“1” state圖七、單位記憶元讀取輸出電壓（Vout）示意圖CellBarrier layerCurrent SourceVout圖六、讀取機制示意圖(二)降低位元尺寸縮小每單一記憶元橫向尺度及記憶元間距是提高容量密度的唯一方式，此部份目前多利用電子束微影術、反覆對準製作、及使用電漿耦合乾式離子蝕刻之回蝕刻技術，來達到製作奈米尺度之記憶元陣列。結構設計部分，將包括橫向形狀及多層膜層狀結構的考量，以達到低電流讀寫及記憶元穩(wěn)定的要求。而在製程的部分：技術的突破在使用電子束微影技術並配合電漿耦合乾式離子蝕刻之回蝕刻技術，製作奈米尺度之記憶元及讀寫連接導線，與製程上相關的核心技術開發(fā)等。圖九顯示的是由由臺灣自旋科技研究中心彰師大團隊所製作的電子顯微鏡影像圖，顯示的是30nm直徑之舉離製程的點陣列。若以此為儲存密度換算的話，其儲存密度可以高達180 Gbits/in2。圖八、TMR結構示意圖圖九、電子顯微鏡微影圖，顯示的是電子束微影術配合舉離製程所完成之點陣列，可以看出點大小為30nm，因此點直徑為奈米。事實上以此為儲存密度換算的話，其儲存密度可以高達180 Gbits/in2。(三)讀寫的架構及方法目前MRAM的讀寫機制有二種，一為1T1MTJ（one Transistor one MTJ）架構[1623]，即一個記憶元就連接一個電晶體（MOSFET），其工作原理與DRAM相似；另一為XPC（CrossPoint Cell）[1617][24]架構，與前者差別在於並非每個MTJ都接電晶體。在讀寫比較上，XPC讀取較1T1MTJ困難，但XPC所佔面積比較?。浑S著MRAM往高密度發(fā)展，XPC將是合適的解決方式。圖十所示為1T1MTJ架構的MRAM讀寫機制，主要使用三條控制線來完成，分別為位元線（Bit line，BL）、寫入字元線（Write Word line，WWL）及讀取字元線（Read Word line，RWL）。寫入模式下，如圖十（b）所示，位元線與寫入字元線設為”高準位”，而讀取字元線設為”低準位”，此時MOSFET為截止狀態(tài)；此時通過位元線的電流會產生易軸磁場（Heasy），而流經寫入字元線的電流產生難軸磁場（Hhard），進而利用這兩個磁場來改變MTJ的狀態(tài)。對MTJ寫入”1”或”0”的動作是由位元線的電流方向決定，假設位元線電流方向向右是對MTJ寫入”1”的狀態(tài)，那麼電流方向向左便是對MTJ寫入”0”的狀態(tài)。而寫入字元線在對MTJ寫入”1”或”0”時其電流方向可變也可不變，但通常是固定在同一方向。而在讀取模式時，如圖十（a）所示，首先讀取字元線設為”高準位”，而寫入字元線設為”低準位”，此時MOSFET為導通狀態(tài)；之後位元線送出檢測電流穿過MTJ，最後透過MOSFET到地。從位元線端量測得對地電壓即可用來判斷MTJ所儲存的資料。1T1MTJ原本為一個MTJ接一個MOSFET，但實際製程上為一個MTJ接二個MOSFET，因為在製程上如此的做法很容易達到且不需增加製程程序，最重要的是如此一來能降低MOSFET的電阻（二個MOSFET為並聯(lián)），進而提升資料讀取時的可靠度。但採用1T1MTJ的架構時，其記憶元的大小與DRAM一樣都是由MOSFET決定，MTJ的尺寸遠比MOSFET小。Free layerPinned layerBarrierBit lineWrite Word lineRead Word lineSense CurrentMOSFET “ON”Free layerPinned layerBarrierBit lineWrite Word lineRead Word lineMOSFET “OFF”Program Current HhardProgram Current Heasy（a）（b）圖十、1T1MTJ記憶元，（a）讀取模式，（b）寫入模式XPC架構是另一種MRAM的讀寫機制，與1T1MTJ架構的差別在於XPC架構中的記憶元並無串接一個MOSFET，因此就架構上而言比較簡單。圖十一所示為XPC架構，其讀寫機制只使用位元線（BL）與字元線（WL）來完成；由於少了MOSFET，因此其記憶元尺寸也大幅減少，如圖中所示，單一記憶元的尺寸大小只有4F2，比1T1MTJ架構少了一半。其寫入機制與1T1MTJ相同，都是利用位元線與字元線同時施加電流來產生難軸與易軸磁場，進而改變MTJ的狀態(tài)。圖十二所示為XPC架構在寫入模式下的動作，例如要對第i行第j列的記憶元作寫入動作，便在第i行與第j列各加入電流，值得注意的是由於XPC架構其MTJ直接與位元線、字元線相接，不像1T1MTJ架構有電氣隔離，所以在寫入時電流可能會經由MTJ流失，導致電流會隨著位元線或字元線路徑變長而愈小，甚至小到無法完成MTJ寫入的動作。MTJBLWL單一個記憶元FFFF圖十一、XPC架構單一記憶元示意圖XPC架構的讀取動作如圖十三所示，假設要讀取第i行第j列的記憶元的狀態(tài)，第一步將j列接至檢測放大器而i行接地，至於其他行列則接與第j列相同的電位（Veq），如此一來只有選擇的記憶元有電流（Iread）通過，其餘未選擇的記憶元因兩端為同電位故無電流，再來將Iread轉換為電壓（Vout）即可將記憶元的狀態(tài)讀出，最後與參考位元（Reference Cell）的狀態(tài)比較便可得知該記憶元所儲存的資料是”0”或”1”了。圖十三、XPC架構－讀取模式圖十二、12 XPC架構－寫入模式五、奈米尺寸MRAM發(fā)展瓶頸與可能解決方法MRAM是一個相當複雜及新穎的自旋電子集積元件，要達到超高容量密度及良好的整體表現(xiàn)，需要解決很多問題，如渦流現(xiàn)象、讀取寫入時的漏電流效應、消耗功率、熱穩(wěn)定度等問題。尤其當位元尺寸到達奈米層級時，所要克服的瓶頸不單是如何製作還包含要如何提升讀寫效率等，究竟要如何才能夠得到最理想的MRAM成效，下面就針對1T1MTJ(1 Transistor 1Magnetic Tunnel Junction)與XPC(Cross Point Cell)[24]結構在奈米層級MRAM記憶位元所面臨到的四大問題進行剖析：：(a)渦流效應(vortex)：以目前1T1MTJ結構的MRAM記憶位元所使用的材料依然以
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