TAS-MRAM

TAS-MRAM技術是一項邊用加熱器對MTJ元件存儲層進行加熱，邊寫入數據的技術。對存儲層進行加熱後，矯頑力會下降，從而可輕鬆寫入數據。介質在存儲層中冷卻後，矯頑力會再次提高，數據穩定性也會隨之提高。TAS技術基本上是一項與硬碟（HDD）熱輔助存儲相同的技術。

基本介紹

• 中文名：TAS-MRAM
• 外文名：TAS-MRAM
• 解決：半選干擾問題，功耗和可靠性
• 所屬學科：自旋電子學
• 套用：MRAM
• 原理：邊加熱，邊寫入數據

MRAM

存儲器是計算機體系結構中的重要組成部分，對計算機的速度、集成度和功耗等都有決定性的影響。然而，目前的存儲器難以同時兼顧各項性能指標，例如，硬碟的存儲容量較高，但訪問速度極慢(通常為微秒級)。快取則相反，具有高速和低集成度的特點。為充分發揮各類存儲器的優勢，典型的計算機存儲系統採用圖1所示的分級結構，一方面，頻繁使用的指令與數據存於快取和主存中，能夠以較快的速度與中央處理器互動；另一方面，大量非頻繁使用的系統程式與文檔資料被存於高密度的硬碟(HDD或SSD)中。這樣的分級結構使存儲系統兼具高速和大容量的優點，但是，隨著半導體工藝特徵尺寸的不斷縮小，傳統的基於互補金屬氧化物半導體工藝的快取和主存遭遇了性能瓶頸。在功耗方面，由於CMOS電晶體的漏電流隨著工藝尺寸的減小而增大，因此，SRAM和DRAM的靜態功耗日益加劇；在速度方面，處理器與存儲器的互連延遲限制了系統的主頻。解決該問題的一個有效途徑是構建非易失性的快取和主存，使系統可工作於休眠模式而不丟失數據，從而消除漏電流和靜態功耗，而且非易失性存儲器可通過後道工藝直接集成於CMOS電路上，減小了互連延遲。在目前諸多的非易失性存儲器中，以Flash的技術最為成熟，但Flash因寫入速度慢(毫秒)、可擦寫次數有限等缺點而無法達到快取和主存的性能要求。其他的候選有可變電阻式存儲器、相變存儲器和自旋轉移矩磁性隨機存儲器等。

工作原理

由一隻三極體、一隻磁隧道結（magnetic tunnel junction，MTJ）和若干連線線組成。MTJ 是一種多層薄膜結構，它由固定層、非磁性隔離層和自由層組成。其中，固定層較厚，磁性較強，磁矩不容易反轉，而自由層較薄，磁性較弱，磁矩容易反轉。三極體起到選址作用，三極體的漏極連線 MTJ 的一端（如固定層），當柵極開啟三極體時，源極、漏極、MTJ 和位線組成迴路。位線和附加寫信息線有電流流過時分別產生半選寫信息磁場（即：位線、附加寫信息線產生的磁場僅僅是自由層矯頑力的一半，單獨的位線或附加寫信息線都不能使存儲單元中自由層的磁矩反轉），且磁場相互正交。若存儲單元未被選通，無論附加寫信息線是否有電流流過，自由層的磁矩不會發生反轉；若存儲單元被選通，若附加寫信息線有電流流過，其自由層的磁矩將會因受到來自位線和附加寫信息線的半選寫信息磁場的作用而發生反轉，最終與固定層的磁矩呈平行或者反平行狀態。自由層與固定層的磁矩平行或者反平行時，MTJ 的電阻是不相同的。磁矩相互平行時電阻較小，磁矩反平行時，電阻較大。因此，MRAM 的信息寫入方式是通過電流產生磁場，進而使自由層磁矩發生反轉，改變 MTJ 的電阻，實現信息寫入。 MRAM 的信息讀取是檢測存儲單元的電阻。若存儲單元被選通，恆定的小電流從位線經連線線、MTJ 到選通的三極體漏極流過，在 MTJ 兩端會產生電位差。根據電位差的大小，可得確定 MTJ 的電阻，從而知道自由層與固定層磁矩之間的相對取向關係，這種讀出方法是非破壞性的。

TAS技術

法國Spintec實驗室提出的TAS-MRAM器件結構，在鐵磁層上加入反鐵磁層，形成交換偏置作用。寫入時，首先在磁隧道結通入電流，將器件加熱至反鐵磁層的轉變溫度之上，同時施加寫入磁場，然後將器件冷卻，在交換偏置的作用下，自由層的磁化被翻轉並穩定在與外加磁場相同的方向。這種寫入方式只需要一個外加磁場，能夠解決半選干擾問題，功耗和可靠性都有所改善。

研究過程

法國研究機構SPINTEC與開發MRAM技術的CrocusTechnology共同開發出了將熱輔助切換（ThermallyAssistedSwitching：TAS）用於垂直磁化方式MTJ元件的STT-MRAM技術。並在2011年10月31日於美國亞利桑那（Arizona）州斯科茨戴爾（Scottsdale）開幕的磁技術國際會議“56thMMM”的首日進行了發布。

TAS技術是一項邊用加熱器對MTJ元件存儲層進行加熱，邊寫入數據的技術。對存儲層進行加熱後，矯頑力會下降，從而可輕鬆寫入數據。介質在存儲層中冷卻後，矯頑力會再次提高，數據穩定性也會隨之提高。TAS技術基本上是一項與硬碟（HDD）熱輔助存儲相同的技術。

MRAM需要TAS技術的原因是，兼顧低開關電流和高穩定性是推進定標（Scaling）所必需的。此次SPINTEC等採用了Sy(Pt/Co)/CoFeB/MgO/CoFeB/(Pd/Co)構成的垂直磁化方式MTJ元件，工作原理採用STT（自旋注入式磁化反轉）方式。MTJ元件的工作溫度範圍為－30℃～+85℃，不過寫入時由於利用TAS技術，因此會加熱至175℃。

據介紹，此次通過採用TAS技術，可以將熱穩定性指標Δ提高至73，同時將切換時的電流密度（JC）降至4.6×106。SPINTEC等自信地表示，“通過組合使用STT方式和TAS，對於20nm以下工藝的MRAM，也可以實現業界最出色的Δ/JC”。不過，MR比目前只有10～20%。SPINTEC等表示，“今後將進行改進，以把MR比提高至100%左右”。

固有缺陷

磁場寫入方式存在著3個固有缺陷:

（1）需要毫安級的寫入電流，功耗較高;

（2）隨著工藝尺寸的減小，寫入電流將急劇增大，難以在納米級磁隧道結中推廣套用;

（3）需要較長的載流金屬線產生磁場，電路設計複雜度較高。這些缺點限制了MRAM的套用前景，因此，以純電學方式完成磁化翻轉，成為當時MRAM研究人員追求的重要目標。