STT-MRAM存在的兩個弊端

隨着自旋轉移矩效應的發現以及材料和結構的優化，基於自旋轉移矩效應的STT-MRAM器件應運而生。自從自旋轉移矩效應被證明以來，一方面研究人員經過大量的努力嘗試下降磁化反轉的臨界電流，增長熱穩定性；另外一方面Sony、Hitachi、Renesas、Crocus、Toshiba、Samsung、Hynix、IBM等多家公司也在積極研發 STT-MRAM。

 

早期的磁隧道結采用面內磁各向異性（In-Plane Magnetic Anisotropy）。它存在以下兩個弊端：

 

1）隨着工藝減少，熱穩定性惡化。採用面內磁各向異性磁隧道結的存儲壽命取決於熱穩定性勢壘和磁各向異性場，面內磁各向異性的來源是薄膜平面較大的長寬比。

 

隨着工藝尺寸的微縮（＜50nm），這種薄膜的邊際效應加重，會產生顯著的磁渦旋態，難以保持較高的熱穩定性勢壘，甚至穩定的磁化也沒法存在，這將限制MRAM的存儲密度；

 

其次面內磁各向異性的磁隧道結下降了自旋轉移矩的翻轉效率

 

所以，對於相同的熱穩定性勢壘，垂直磁各向異性可以使磁隧道結的臨界翻轉電流比面內磁各向異性的更低，相應地，自旋轉移矩的翻轉效率更高。鑑於上述優點，研究人員也一直致力於採用垂直磁各向異性的磁隧道結結構建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

 

 

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

 

目前最新的低功耗、大容量的MRAM器件均採用垂直磁各向異性磁隧道結，好比Everspin已推出的256Mb STT-MRAM商用產品以及展現的1Gb演示器件採用的就是垂直磁各向異性磁隧道結。

下列是部分 everspin  STT-MRMA

Density	Org.	Part Number	Voltage	Speed	Temp Rating	Package	Pack/Ship
1Gb	128Mb x8	EMD4E001G08G1-150CAS1	--	667MHz	Commercial	78-BGA	Tray
1Gb	128Mb x8	EMD4E001G08G1-150CAS1	--	667MHz	Commercial	78-BGA	Tape & Reel
1Gb	64Mb x16	EMD4E001G16G2-150CAS1	--	667MHz	Commercial	96-BGA	Tray
1Gb	64Mb x16	EMD4E001G16G2-150CAS1R	--	667MHz	Commercial	96-BGA	Tape & Reel
256Mb	16Mb x 16	EMD3D256M16G2-150CBS1T	1.5v +/- 0.075v	1333	0-85	BGA	Tray
256Mb	16Mb x 16	EMD3D256M16G2-150CBS1R	1.5v +/- 0.075v	1333	0-85	BGA	Tape and Reel
256Mb	16Mb x 16	EMD3D256M16G2-150CBS2T	1.5v +/- 0.075v	1333	0-85	BGA	Tray
256Mb	32Mb x 8	EMD3D256M08G1-187CBS2T	1.5v +/- 0.075v	1066	0-85	BGA	Tray