STT-MRAM存在的两个弊端

随着自旋转移矩效应的发现以及材料和结构的优化，基于自旋转移矩效应的STT-MRAM器件应运而生。自从自旋转移矩效应被证明以来，一方面研究人员经过大量的努力尝试下降磁化反转的临界电流，增长热稳定性；另外一方面Sony、Hitachi、Renesas、Crocus、Toshiba、Samsung、Hynix、IBM等多家公司也在积极研发 STT-MRAM。

 

早期的磁隧道结采用面内磁各向异性（In-Plane Magnetic Anisotropy）。它存在以下两个弊端：

 

1）随着工艺减少，热稳定性恶化。采用面内磁各向异性磁隧道结的存储寿命取决于热稳定性势垒和磁各向异性场，面内磁各向异性的来源是薄膜平面较大的长宽比。

 

随着工艺尺寸的微缩（＜50nm），这种薄膜的边际效应加重，会产生显著的磁涡旋态，难以保持较高的热稳定性势垒，甚至稳定的磁化也没法存在，这将限制MRAM的存储密度；

 

其次面内磁各向异性的磁隧道结下降了自旋转移矩的翻转效率

 

所以，对于相同的热稳定性势垒，垂直磁各向异性可以使磁隧道结的临界翻转电流比面内磁各向异性的更低，相应地，自旋转移矩的翻转效率更高。鉴于上述优点，研究人员也一直致力于采用垂直磁各向异性的磁隧道结结构建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

 

 

图1（a）垂直磁各向异性的磁隧道结；（b）沿面内和垂直方向的磁化曲线，证实易磁化轴沿垂直方向。

 

目前最新的低功耗、大容量的MRAM器件均采用垂直磁各向异性磁隧道结，好比Everspin已推出的256Mb STT-MRAM商用产品以及展现的1Gb演示器件采用的就是垂直磁各向异性磁隧道结。

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