SOT-MRAM架構為高密度末級快取記憶體應用開啟大門

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自旋軌道力矩磁阻式隨機存取記憶體(SOT-MRAM)元件在末級(last-level)記憶體應用中面臨三個主要問題：可擴展性、動態功耗和製造中對緊湊型無磁場開關解決方案的需求…

www.eettaiwan.com, May. 16, 2023 – 

目前，自旋軌道力矩磁阻式隨機存取記憶體(SOT-MRAM)元件在末級(last-level)記憶體應用中面臨三個主要問題：可擴展性、動態功耗和製造中對緊湊型無磁場開關解決方案的需求。在IEDM 2022上，imec展示了一次性解決這些問題的SOT-MRAM架構。

SOT-MRAM特性

近年來，晶片產業對SOT-MRAM技術開發越來越感興趣。SOT-MRAM是一種很有前途的非揮發性記憶體，非常適合嵌入式記憶體應用，例如高效能運算和行動應用中的L3 (及以上)快取。目前這一角色通常由超快速揮發性靜態隨機存取記憶體(SRAM)實現，但其對SRAM位元密度的製程升級限制，迫使記憶體業界急切尋找替代方案。此外，當記憶體待機時，SRAM位元受功耗的影響越來越大，因此無法實現很低的待機功耗。而MRAM這樣的非揮發性記憶體，不僅有潛力提供更小的位元單元，且其非揮發特性也能解決待機功耗問題。

SOT-MRAM是從更成熟的自旋轉移矩MRAM (STT-MRAM)演變而來，由於具有更好的耐久性和兩個二進位狀態之間更快的切換速度，因此具有更好的快取應用前景。在兩種MRAM類型中，磁隧道結(MTJ)構成了儲存單元的「心臟」。在這種MTJ中，薄介電層(MgO)夾在鐵磁固定層(CoFeB)和鐵磁自由層(CoFeB)之間。儲存單元寫入是透過切換自由層(即MRAM位元的「儲存」層)的磁性來完成，而讀取則是透過電流流過MTJ結來測量MTJ的磁阻實現。這種隧道磁阻(TMR)可高可低，取決於自由層和固定層磁性的相對取向(即平行(1)或非平行(0))。

STT-MRAM和SOT-MRAM之間的主要區別在於寫入所用的電流注入幾何結構。STT-MRAM中的電流是垂直注入MTJ，SOT-MRAM的電流注入則發生在平面內，在相鄰的SOT層中––典型情況是像鎢(W)這樣的重金屬層。因此SOT-MRAM中的讀寫路徑是去耦的，顯著提高了元件的耐久性和讀取穩定性。平面型電流注入則消除了STT-MRAM工作時的開關延遲。2018年，imec首次展示了開關速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，這種元件具有增強的耐久性(＞5 × 1010的開關週期)和300pJ的運作功耗。

SOT-MRAM面臨的挑戰

由於是非揮發性，SOT-MRAM在高單元密度下可以實現比SRAM低得多的待機功耗。但是由於寫入操作需要較大的電流，因此動態功耗仍然相對較高。

此外，為了使SOT-MRAM成為嵌入式記憶體應用中SRAM的真正競爭對手，需要在提高密度方面進行創新。在固定層和自由層中採用垂直磁化(稱為p-MTJ)替代傳統的平面型磁化可以提高製程升級潛力，因為它不再要求儲存單元為矩形。

但關鍵挑戰在於元件架構。STT-MRAM採用了柱狀結構，是一種雙端子元件。當在記憶體陣列配置中實現時，每個MTJ單元僅需要一個選擇元件(通常是一個(存取)電晶體)來選用於讀取或寫入的記憶元件。具有獨立讀寫路徑的SOT-MRAM則是一種三端子元件，在這種情況下，每個記憶元件需要兩個存取電晶體：一個用於讀操作，另一個則用於寫操作。因此，獨立的讀寫路徑為可靠性提供了額外的好處，但由於需要額外的存取電晶體(附帶額外的金屬線)，它們會佔用額外的空間。

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