磁性記憶體(MRAM)具有應用於非揮發性嵌入式記憶體的潛力。相較於傳統的磁場寫入方式之磁性記憶體而言，自旋傳輸磁性記憶體不論是在密度、容量、耗能、速度、尺寸微縮化以及製程成本上都有很大的優點。目前各研究團隊針對自旋傳輸磁性幾乎都已經進展為垂直式磁化材料為主，這種垂直式自旋傳輸磁性記憶體相較於傳統的水平式傳輸磁性材料，可改善水平式傳輸材料無法同時滿足降低元件寫入電流與提高元件的熱穩定性的難題。
以垂直式磁化材料取代水平式磁化材料被認為是解決上述問題最可行的方法。本篇文章將探討垂直式自旋傳輸翻轉的特性，並且介紹目前國際上以及本團隊關於垂直式自旋傳輸磁性記憶體與其他相關熱門磁性研究的發展現況。
STT MRAM發展潛力佳
磁性記憶體於1980年代首次被提出。1984年Honeywell以異向性磁阻(AMR)技術為基礎開發了最早期的MRAM，由於其抗輻射特性以及製作成本高昂，主要應用於軍方以及航太用途。1988年發現巨磁阻(GMR)現象後，開始吸引了許多人投入MRAM相關的研究。
而到了1995年，實驗證實穿隧式磁阻(TMR)的現象，而其後的研究證實其磁阻變化率可高達220%以上，至此確定了MRAM的發展趨勢。MRAM基本架構為1個電晶體搭配上一個稱為MTJ(Magnetic Tunnel Junction)的磁性多層膜元件，簡稱為1T-1MTJ架構。
傳統的MRAM寫入方式為利用兩條正交的導線所產生的磁場將被選取之MTJ結構磁性自由層(Free Layer)磁化向量翻轉，使得磁性自由層與被固定層(Pinned Layer)的磁化向量呈現平行(低阻態)或反平行(高阻態)而達到寫0或1。
這種寫入方式會遭遇到兩個主要的技術瓶頸，第一是只有單軸導線通過而非雙導線交叉選擇的MTJ，容易因為導線磁場干擾而造成錯誤寫入；第二是當MTJ尺寸隨著技術節點持續微縮時，磁性自由層磁化向量翻轉所需要的磁場大小或寫入導線電流會急劇升高。這樣不僅耗電，而且會使得寫入電流超過導線可容忍之範圍而產生失效。
新一代的MRAM寫入方式為利用自旋力矩傳輸(Spin-torque-transfer, STT)效應翻轉磁性自由層的磁化向量。這種寫入方式電流僅通過被選擇的記憶單元，所以不會有因導線磁場干擾，而造成寫入錯誤的問題。同時，由於磁性自由層翻轉取決於電流密度，因此隨著記憶單元持續微縮，翻轉所需要的電流不僅不會升高，反而會下降。
除此之外，STT MRAM在製程上也比傳統MRAM簡化許多，如此不僅可以減少製程費用，也可大幅提升記憶體密度。傳統MRAM的Cell Size大約在20~30F2，而STT MRAM可將Cell Size降至6F2。另外，STT翻轉寫入速度可達4ns，因此STT MRAM不論是在密度、容量、耗能、速度、尺寸微縮化以及製程成本上都有很大的優點，使得STT MRAM具有應用於非揮發性嵌入式記憶體的潛力。
追求更高儲存密度 SOT成新解方
目前STT MRAM的產品主要都是以水平式磁化材料作為MTJ結構之磁性層，例如Co、Fe、CoFe、NiFe，以及CoFeB等磁性材料。不過，這種水平式STT MRAM所遇到最大的挑戰，即為降低MTJ磁性元件寫入電流密度的同時，還需要提高元件對於熱擾動的穩定度，並且提高寫入與讀取資料的準確度。
預估在進入45奈米技術節點後水平式STT MRAM將面臨寫入電流與熱穩定性無法同時兼顧的問題，除非在磁性材料的特性上有所突破；而以垂直式磁化材料取代水平式磁化材料之STT元件被認為是解決上述問題最可行的方法。
磁性材料除了應用在磁性記憶體上，在感測器領域亦有相當的發揮空間。利用微小外在磁場即可使磁感測器靈敏做出判別的特性，做為生物感測器的主要元件再適合不過。而除了感測微小的外加場變化，磁性感測器當然也能改以較硬磁如CoFeB、CoFe等做為主要材料，涉足大場感應市場。由於可針對使用領域變化感測場的範圍及靈敏性，磁感測元件勢必大有可為。
而在已然形成的磁性記憶體市場中，下個目標除了繼續增加磁性記憶體的儲存密度，更希望改善耗電情況以及提升記憶體讀寫壽命，旋軌道轉矩型(Spin-orbit-torque RAM, SOT-RAM)這樣的磁性記憶體結構，利用自旋電子流來影響記憶層的磁矩排列，較之STT MRAM有著更節能的優勢，目前世界上各個研發團隊紛紛投入SOT的開發中，是現今磁性記憶體中炙手可熱的新星。
克服磁矩以達到小尺寸/高密度
磁紀錄依磁化狀態的不同可分為水平記錄和垂直記錄，水平記錄之記錄媒體的磁化方向是平行基板的表面，而垂直記錄之記錄媒體的磁化方向則是垂直基板的表面。水平記錄由於Pattern承受的去磁場大，因此不利於達成高的記錄密度；垂直記錄則因為磁化方向垂直於磁頭移動方向及記憶媒體表面，去磁場小，因而可以得到較高的記錄密度。
利用上下電極間的磁性多層膜，不同磁性膜層間交互作用影響之下，通過電流時因磁矩排列方式的不同而得到的磁阻值變化。為了能夠達到小尺寸高密度記憶元件的發展，垂直式磁矩排列的記憶元件將會是一個大有可為的發展方向。若要能讓垂直式磁性記憶元件發展順利，首要克服的便是其磁矩的排列方式，如何能在記錄膜層鍍製時，便讓其有整齊並且可完美控制的磁矩排列。
水平記錄膜層堆疊主要如圖1所示，底電極之上為提供各膜層良好織構(Texture)的種子層材料，接下來是固定未進行讀寫時磁矩排列方向的反鐵磁層(Anti-ferro)，反鐵磁層與SAF被固定層決定了交換場的大小，當交換場越大就表示該膜層結構能承受的外界場影響越大，當記憶元件在進行讀寫之時表現也會越穩定。
若變化不同的MTJ結構如下類型(圖2)，膜層排列的方式不再因為反鐵磁層來決定，而是利用磁性層Co以及金屬層Pt交互堆疊，利用兩種材料間的交互作用力，在Co極薄的情況下可以讓磁矩完全垂直膜面排列，這就是垂直式磁性元件所設計的被固定層。
並且，利用Ru金屬層的RKKY特性，使得Ru上下的Co/Pt多層膜雖然是垂直膜面排列，但依著不同的Ru在RKKY Peak的厚度，一樣可以依需求製備出不同大小的交換場，當然，交換場越大也就表示元件對於外在環境影響下的穩定度越高。
在這樣的膜層結構下，利用MgO做為Tunneling材料，調變MgO的厚度以及製程參數，可以得到MR 40~90%；變化Free Layer的材料為CoFeB、CoFeB/Ta/CoFeB Composited結構等，可使讀寫層的翻轉更迅速，Hc能大於200Oe。不同的上下電極材料(Ta、TaN、Ru等)，所影響的P-STT MTJ之PMA特性也不同，利用Modified Seed Layer可以使MTJ的交換場增大到6000 Oe以上，有效提升元件的穩定性。
目前利用這樣的結構進行各種磁感應器的開發，透過不同的Barrier/Spacer，使得Spacer上下的磁性金屬層，其中的磁矩排列能隨使用者需求而設計成不同的排列方式，變化為上下層平行或者是反平行。並且在不同磁性記錄層Free Layer的材料選擇影響下，能夠使磁性元件展現不同的性質。
在磁感測元件的開發中，著重的特性為Free Layer該鐵磁層在難軸方向所表現的異向性能力(Hk)，亦即當在難軸方向對元件施以場的變化之時，不同的外加場大小可分別對應的不同的磁矩排列，磁矩的翻轉隨著外加磁場成線性變化。此時若磁感測元件的異向性能力越強，也就是Hk越大，那麼這樣的性質就很有利於磁感測上的應用。
如圖3所示，即為所製備之TMR Sensor電性量測下的結果，目前可在外加場約80Oe之間做準確的磁性感應。而倘若變化不同的Free Layer材料以及製程參數，則可以調整Hk的大小(圖4)。
SOT-RAM滿足減少穿隧電流量/次數備受關注
而在上述熱門的磁性穿隧磁阻多層膜中，因為其運作過程需要翻轉自由層來達到不同電阻，因此如果能夠減少穿隧的電流量及次數，即可增加使用壽命。自旋軌道轉矩型記憶體非常符合上述需求，原理為自旋電子流帶動自由層翻轉，電流不需要穿隧絕緣層，而是藉由電流通過底層金屬產生之自旋電子流，即可達成翻轉目的。
當電流通過Ta底層時，會因為自旋霍爾效應(Spin Hall Effect, SHE)而產生上下方向的自旋電流；此上下方向的自旋電流在接觸到鐵磁層時，會消散成正常電流並且給予鐵磁層的磁矩一個力矩，此現象即為SOT翻轉現象─藉由外加特定強度的水平磁場，一定強度的自旋電流即可將上方具有垂直異向性的鐵磁層翻轉。此即為所謂的SOT，被視為新世代的記憶體讀寫機制。
要能運用於SOT的讀寫層材料，需為磁性材料，當中的磁矩方能受由下層金屬層上傳之自旋電子流影響而有翻轉的行為。利用不同鐵磁性材料的選擇，目前已經可以順利做出水平方向或是垂直膜面方向排列磁矩的SOT結構，在小尺寸或是大的磁阻比(MR)需求上便能依照實際應用需求各取所需。
圖5為垂直式SOT結構示意圖，透過外加磁場與自旋電子流的合力對讀寫層進行翻轉的動作。當然也能將此機構應用至水平SOT結構中，水平與垂直的磁矩方向不同，主要起因於被固定層的磁矩方向，變化被固定層的材料以及製備方式，就能得到以相同方式操作的水平SOT元件。
STT MRAM要普及 磁阻變化率偏低需克服
STT MRAM不論是在密度、容量、耗能、速度、尺寸微縮化以及製程成本上都有很大的優點，具有應用於非揮發性嵌入式記憶體的潛力。傳統水平式STT MRAM最大挑戰在於無法同時兼顧降低寫入點流與提升元件熱穩定性，而垂直式STT MRAM不論從理論計算或是實驗結果都顯示可具有低寫入電流與高熱穩定性之優異表現，不過製程難度高，目前尚處於垂直磁化材料與元件製程開發階段。若能進一步克服垂直式STT元件磁阻變化率偏低的問題，除了下世代嵌入式記憶體的應用之外，STT MRAM也將具有高密度、大容量之Stand-alone記憶體的潛力。
磁性元件目前的發展，除了由水平式STT演進成為能更克服更小尺寸、更高密度之垂直式STT的記憶體元件之外，另外也因為市場之各式各樣感測環境的需求，無論是生醫領域亦或是車用電子市場等，都已能看出若以磁感測元件涉入將能夠帶來更多的優勢。
而磁性記憶體中目前最熱門的結構為磁性穿隧磁阻多層膜，因為其運作過程需要翻轉自由層來達到不同電阻，因此如果能減少穿隧的電流量及次數，即可增加使用壽命。自旋軌道轉矩型記憶體非常符合上述需求。
而工研院電光所累積多年來的磁性材料元件相關研發技術，針對各種磁性材料均有相當程度的了解。像是超高真空磁性PVD濺鍍系統，該真空環境可達10E-9 Torr，對於必須在奈米等級做調變的磁性薄膜開發來說，具有相當的可靠度，能夠準確調變各膜層的厚度等參數，得到高均勻性的良好磁性薄膜。
基於此一薄膜製程能力，除了自身團隊的研發計畫外，工研院電光所也能夠容易地與其他研發團隊進行磁性薄膜相關開發，針對不同的需求來配合調整磁性結構各層的材料或參數；而關於成膜之後為使反鐵磁層磁矩排列穩定的退火製程，廠內亦有可外加1T Oe大廠的磁性退火爐，最高退火溫度可達到500°C以上。這些與膜層性質相關的製程，都可以少量多變化地配合合作團隊來調整進行。
另外，由於工研院電光所廠內是以研發為主要任務，有接續製程的退火以及黃光、蝕刻等設備均為針對製程開發而使用，除了薄膜製程外，還能進行少量、多參數變化的Short Loop元件實驗，這樣的實驗室規格，能在較短時間內製備出磁性相關元件，在開發的過程中能更精準地看到變化膜層、製程參數後所可以得到的元件電性。
磁性記憶體的發展已有多年，現今亦有產品接續上市，而陸陸續續地更多的公司投入磁性記憶體量產的這塊市場，顯見磁性技術的發展，對於未來科技的開展不容小覷。工研院累積長久以來的磁性專業開發能力，一直都有更精進研發成果及製程能力，而更令人樂見的，除了電子產業看好磁性材料在記憶體方面的優勢，其它科技領域如生醫、材料化學團隊，也相繼投入合作開發生物感測用元件、大場感測器等，擴展磁性材料在不同範疇的優勢以及可能性。
