基于自旋转移矩效应的STT-MRAM器件存在的两个弊端

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TT-MRAM器件应运而生。自从自旋转移矩效应被证实以来，一方面研究人员通过大量的努力尝试降低磁化反转的临界电流，增加热稳定性；另一方面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）。它存在如下两个弊端：

1）随着工艺减小，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剧，会产生显著的磁涡旋态，难以保持较高的热稳定性势垒，甚至稳定的磁化也无法存在，这将限制MRAM的存储密度；

其次面内磁各向异性的磁隧道结降低了自旋转移矩的翻转效率

因此，对于相同的热稳定性势垒，垂直磁各向异性能够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。鉴于上述优势，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，证明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，比如everspin已推出的256Mb STT-MRAM商用产品以及展示的1Gb演示器件采用的就是垂直磁各向异性磁隧道结。

审核编辑：刘清