磁性随机存取存储器

Magnetoresistive Random-Access Memory

用磁隧道结保存磁化状态，以电阻读出，区分STT与SOT写入路径及稳定性折中。

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速览

约 1 分钟

MRAM不是靠储存浮栅电荷，而是读取两个磁层的相对方向所产生的电阻差。

系统理解

约 2 分钟

磁隧道结的自由层与参考层形成可区分的平行与反平行状态。STT让自旋电流穿过结写入，典型SOT使用相邻写轨道；读取容限、写错误、热稳定和势垒应力必须共同核对。

在MOS电容与非易失存储基础上，比较状态保存、读出和写入机制及可靠性边界。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
TMR与读偏压	—	相对电阻差及其测量条件
热稳定性因子	—	磁能垒与kBT的比值
写脉冲与错误率	—	联合评价驱动和概率

常见误区

TMR等于两种电阻的比值。
非易失就意味着读偏压可以无限增大。
所有SOT都不需要对称性破缺。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

结构与工作机制

定义

磁隧道结把相对磁化方向转成电阻状态

MRAM的磁隧道结由自由磁层、隧穿势垒和参考磁层组成，通过两磁层相对磁化方向保存信息，再以电阻差读出。^{1, 2}

成立条件 本页讨论通常的正TMR磁隧道结，不把任意磁性电阻器都称为同一存储单元。

机制

STT以穿过隧穿结的自旋极化电流写入

STT-MRAM利用电流传递的自旋角动量改变自由层磁化。典型两端单元通过同一MTJ路径读和写，写入不是重新注入一份浮栅电荷。^{1, 2}

成立条件 电流方向与电子流方向相反，状态极性还需按具体叠层定义。

机制

典型SOT单元把横向写入和垂直读出分开

三端SOT结构让写电流流经邻近自旋轨道层，以其产生的自旋作用驱动自由层，而读出仍跨越MTJ；这使写路径不必穿过隧穿势垒。^{1, 2}

成立条件 限定典型三端结构，存在两端或混合STT/SOT设计，不能以端数给全部器件下定义。

读出与测量

公式

TMR是相对电阻差而不是两个状态的电阻比

同一测量条件下，TMR用反平行态与平行态的电阻差除以平行态电阻定义；因此100%的TMR对应电阻比2，而不是电阻比1。^{1, 3}

\mathrm{TMR}=\frac{R_{\mathrm{AP}}-R_P}{R_P},\qquad\frac{R_{\mathrm{AP}}}{R_P}=1+\mathrm{TMR}

RAP: 反平行态电阻，单位 Ω
RP: 平行态电阻，单位 Ω
TMR: 无量纲相对电阻差，单位 1

成立条件 比较必须使用相同偏压、温度与电阻定义。

边界

测量TMR时不能忽略读偏压

MTJ的电阻差会随所加偏压改变，不能把接近零偏压得到的TMR直接用于实际读偏压的感应容限预算。³

成立条件 具体偏压曲线随材料和界面变化，不使用跨器件固定下降比例。

边界

读写共用路径需要同时检查误写与势垒可靠性

STT的读电流经过可能被电流翻转的MTJ，故读出条件要避免读扰动；反复写入的电压应力还需要检查隧穿势垒退化。^{1, 2}

成立条件 非易失不等于读取可任意加大偏压；不宣称循环耐久性无限。

保持与写入折中

公式

热稳定性因子衡量能垒相对热能的大小

两稳态之间能垒相对于kBT越大，热扰动越难使磁化自发跨越；同一能垒在温度升高后对应更低的热稳定性因子。^{1, 2}

\Delta=\frac{E_b}{k_B T}

Δ: 热稳定性因子，单位 1
Eb: 两磁化稳态间能垒，单位 J
kB: 玻尔兹曼常数，单位 J/K
T: 绝对温度，单位 K

成立条件 仅给出能量比定义，不能单凭此式承诺某阵列保持十年。

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学假设能垒Eb=0.8eV，比较300K与400K的热稳定性因子。

已知

kB=8.617333262×10⁻⁵ eV/K。
两温度下暂把能垒当常量；不代表实际器件能垒不随温度变化。

步骤

Δ300=0.8/(8.617333262×10⁻⁵×300)≈30.95，eV在分子分母约去，结果无量纲。
Δ400=0.8/(8.617333262×10⁻⁵×400)≈23.21，只比较声明模型的能量比。

结果 300K约30.95，400K约23.21。

同一能垒下升温使相对热稳定性降低。

不能外推到 未给尝试频率、失效概率或阵列分布，不能据此计算保证保持时间。

边界

保持更稳定与写入更容易之间存在约束

提高能垒可改善抗热扰动能力，但写入时也需跨越更稳定的磁化状态；材料、尺寸和写入驱动须按目标共同选择。^{1, 2}

成立条件 不把能垒、临界电流或温度视为互不相关的独立指标。

边界

STT写错误率应连同脉冲条件报告

STT写入受热涨落影响，在相同驱动条件下切换具有概率分布；脉冲幅度、宽度和目标错误率需要一起评估。¹

成立条件 教材的典型10ns分界不是适用于全部产品的统一常数。

工程选择

边界

分开读写路径不等于消除面积与电流成本

SOT可减轻势垒写应力并给读写分别设计的空间，但写轨道、端口与选择器占用面积，其驱动和布线也要纳入阵列预算。^{1, 2}

成立条件 比较同功能的完整单元，不只比较MTJ柱本身大小。

边界

无外磁场SOT写入依赖明确的对称性破缺设计

部分SOT磁化几何需要打破两个终态的对称性，方法可以是外场、内建耦合或结构倾斜；不能把所有SOT单元都描述为天然无需辅助。^{1, 2}

成立条件 不同易轴几何的要求不同，不将单个演示的速度或错误率推广为通用规格。

边界

场写入阵列要处理半选单元

场转变MRAM用交叉导线磁场共同选择目标位时，同一行或列的其他单元也会受到部分场，写序列和磁结构必须抑制这种半选扰动。¹

成立条件 此项针对场写入结构，不把半选场模型直接用于全部STT电流选择单元。

出处

3 份资料 · 21 处引用

1
半导体存储器件与电路
余诗孟
- 第 5 章§5.4.1；；PDF pp.170–171，第 155–156 页 支持：磁隧道结把相对磁化方向转成电阻状态
- 第 5 章§5.4.3；；PDF pp.172–174，第 157–159 页 支持：STT以穿过隧穿结的自旋极化电流写入
- 第 5 章§5.4.4；；PDF pp.178，第 163 页 支持：典型SOT单元把横向写入和垂直读出分开；分开读写路径不等于消除面积与电流成本
- 第 5 章§5.4.1，式5.4；；PDF pp.170，第 155 页 支持：TMR是相对电阻差而不是两个状态的电阻比
- 第 5 章§5.4.3；；PDF pp.174–175，第 159–160 页 支持：读写共用路径需要同时检查误写与势垒可靠性
- 第 5 章§5.4.3，图5.35；；PDF pp.174–175，第 159–160 页 支持：热稳定性因子衡量能垒相对热能的大小
- 第 5 章§5.4.3；；PDF pp.174–177，第 159–162 页 支持：保持更稳定与写入更容易之间存在约束
- 第 5 章§5.4.3，图5.34；；PDF pp.173–174，第 158–159 页 支持：STT写错误率应连同脉冲条件报告
- 第 5 章§5.4.4，图5.38–5.39；；PDF pp.179，第 164 页 支持：无外磁场SOT写入依赖明确的对称性破缺设计
- 第 5 章§5.4.2，图5.32；；PDF pp.171–172，第 156–157 页 支持：场写入阵列要处理半选单元
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2
Spin-orbit torque switching of magnetic tunnel junctions for memory applications
Viola Krizakova; Manu Perumkunnil; Sébastien Couet; Pietro Gambardella; Kevin Garello · 2022
- arXiv:2207.11974作者稿，§1；PDF pp.1–2；作者稿页码1–2 支持：磁隧道结把相对磁化方向转成电阻状态；STT以穿过隧穿结的自旋极化电流写入
- arXiv:2207.11974作者稿，§1、4.1；PDF pp.2、8；作者稿页码2、8 支持：典型SOT单元把横向写入和垂直读出分开
- arXiv:2207.11974作者稿，§1；PDF pp.2；作者稿页码2 支持：读写共用路径需要同时检查误写与势垒可靠性
- arXiv:2207.11974作者稿，§4.1；PDF pp.8；作者稿页码8 支持：热稳定性因子衡量能垒相对热能的大小
- arXiv:2207.11974作者稿，§4.1–4.3；PDF pp.8–10；作者稿页码8–10 支持：保持更稳定与写入更容易之间存在约束；分开读写路径不等于消除面积与电流成本
- arXiv:2207.11974作者稿，§4.1–4.2；PDF pp.9；作者稿页码9 支持：无外磁场SOT写入依赖明确的对称性破缺设计
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3
Magnetoresistance and spin-transfer torque in magnetic tunnel junctions
J. Z. Sun; D. C. Ralph · 2008
- arXiv:0803.2254作者稿，Tunnel Magnetoresistance and its Bias Dependence；PDF pp.3–4；作者稿页码3–4 支持：TMR是相对电阻差而不是两个状态的电阻比
- arXiv:0803.2254作者稿，Tunnel Magnetoresistance and its Bias Dependence；PDF pp.3–5；作者稿页码3–5 支持：测量TMR时不能忽略读偏压
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关键参数

常见误区

结构与工作机制

#磁隧道结把相对磁化方向转成电阻状态

#STT以穿过隧穿结的自旋极化电流写入

#典型SOT单元把横向写入和垂直读出分开

读出与测量

#TMR是相对电阻差而不是两个状态的电阻比

#测量TMR时不能忽略读偏压

#读写共用路径需要同时检查误写与势垒可靠性

保持与写入折中

#热稳定性因子衡量能垒相对热能的大小

已知

步骤

#保持更稳定与写入更容易之间存在约束

#STT写错误率应连同脉冲条件报告

工程选择

#分开读写路径不等于消除面积与电流成本

#无外磁场SOT写入依赖明确的对称性破缺设计

#场写入阵列要处理半选单元

半导体存储器件与电路

Spin-orbit torque switching of magnetic tunnel junctions for memory applications

Magnetoresistance and spin-transfer torque in magnetic tunnel junctions