MRAM MTJ結構之微波退火優勢

摘要：磁阻式隨機存取記憶體(Magnetic Random Access Memory, MRAM)是一種在磁疇中儲存數據的非揮發性記憶體技術，具有存取速度快、節能、元件的耐用性高和讀取的穩定性佳等特點。MRAM 的基本構造是磁穿隧接面 (Magnetic Tunneling Junction, MTJ)，由兩層鐵磁層中夾一層絕緣層，主要依靠鐵磁層的磁矩方向來儲存二進位資訊，其可透過操縱其中一層的磁化強度，可以藉由微小電流或磁光效應量測MTJ電阻值來讀取資料。傳統MRAM製程需要在外加磁場下進行退火來形成或加大垂直磁各向異性，通常的磁退火溫度範圍在250~400°C，外加磁場強度為0.3~0.9 Tesla，且為避免磁性材料氧化，所以退火時需要在約1×10^-6 torr超高真空的環境中進行4小時。本文透過微波退火的方式，建立一免外加磁場、低溫、常壓並短時間即可達成傳統微波退火之功效。

Abstract：Magnetic Random-Access Memory (MRAM) is a non-volatile memory technology that stores data in magnetic domains. It has the characteristics of fast access speed, energy saving, high component durability and good reading stability. The basic structure of MRAM is a Magnetic Tunneling Junction (MTJ), which consists of two ferromagnetic layers sandwiched by an insulating layer. It mainly relies on the direction of the magnetic moment of the ferromagnetic layer to store binary information, which can pass through controlling the magnetization of one of the layers. The data can be read by measuring the MTJ resistance value through a small current or magneto-optical effect. The traditional MRAM process requires annealing under an external magnetic field to form or increase perpendicular magnetic anisotropy. The usual magnetic annealing temperature range is 250~400°C, and the external magnetic field intensity is 0.3~0.9 Tesla. In order to avoid oxidation of magnetic materials, Therefore, annealing needs to be carried out in an ultra-high vacuum environment of about 1×10^-6 torr for 4 hours. This article uses microwave annealing to achieve the effects of traditional microwave annealing without external magnetic fields, low temperature, normal pressure and short time.

關鍵詞：磁阻式隨機存取記憶體、磁穿隧接面、微波退火

Keywords：MRAM, MTJ, Microwave Annealing

前言

記憶體能滿足電子系統中的資料儲存、快取、暫存到記憶體內運算，是關鍵的零組件之一。過去的幾十年記憶體產品發展未曾改變，從快取到儲存都有清楚的層次結構。高階的快取記憶體通常是由嵌入式靜態隨機存取記憶體(SRAM)或嵌入式動態隨機存取記憶體(DRAM)所組成，兩者皆是揮發性記憶體，只要保持通電，裡面的儲存資料就可以恆常保持。SRAM是一個快速且低功耗，通常是用來作為中央處理器度(CPU)的快取記憶體，使用者通常無法更換；DRAM通常被用作主儲存器，用於儲存運行中的程式和數據，生產成本低，速度略慢於SRAM，多數使用者可自行替換。快閃記憶體(Flash)為非揮發性記憶體，指的是當電流關掉後，所儲存的資料不會消失，具有可對資料進行多次加入、刪除或覆寫，廣泛用於隨身碟、記憶卡中，其迅速改寫的特性適合用於手機、數位相機和電腦之間的資料移轉。近年來，記憶體隨著半導體製程節點邁進，已大幅度增加儲存密度，僅管這些記憶體元件都在努力跟上人工智慧、物聯網、5G 通訊及智慧車載等新興科技所迎來的巨量資訊分析需求，國內外許多知名大廠正積極投入大量資源，加速開發兼具提升運算速度和降低能耗的下世代記憶體。在多種新興記憶體技術選項中，目前最有潛力、最受業界期待的其中之一就是磁阻式隨機存取記憶體(Magnetic Random Access Memory, MRAM)。現在主流記憶體元件主要都是二元型，利用電流或電壓來操作。MRAM是一種非揮發性隨機存取記憶體，不同於傳統晶片存取技術，利用電子自旋與磁矩的各種交互作用原理，使得整個元件結構具有明顯電阻變化，來儲存二進位資訊[1]。MRAM於1980年代中期開發，支持者認為磁阻式記憶體最終將會超越競爭技術，成為主導甚至是通用記憶體[2]。

MRAM MTJ結構之微波退火優勢

本文分成三個部份，第一部份由磁穿隧接面與磁性記憶體結構開始說明，介紹存取工作原理。第二部份為MRAM MTJ結構傳統製程介紹，及微波退火技術開發，最後是MRAM MTJ結構使用微波退火之優勢。

1.磁穿隧接面與磁性記憶體結構介紹

1925年由Uhlenbeck與Goudsmit提出電子自旋(spin)的概念 [3]，僅對於實驗觀測的原子光譜和量子特性進行解釋，並沒有辦法直接將電子自旋應用在磁性材料上。直到二十世紀後期，巨磁阻(Giant Magnetoresistance, GMR) [4,5]、自旋轉移矩(spin transfer torque, STT) [6]等物理機制被發現、分析證實及實驗應證後，得以利用材料中電子自旋現象來控制電子元件。巨磁阻是發生在金屬導體的多層膜材料之間，不同自旋方向電子在穿越鐵磁層／非鐵磁層／鐵磁層時，在磁性層會有不同的電導率，並隨著外加磁場會有所改變，其變化量於低溫環境中甚至可高達100%。在巨磁阻發展之後，MTJ(如圖1)則是使用穿隧磁阻(Tunneling Magnetoresistance, TMR) [7] 的原理來推進。不一樣的是MTJ使用薄絕緣層作為電子的穿隧層來取代GMR的非鐵磁層，利用鐵磁層的集體磁化狀態發展出MRAM的核心元件。MTJ的鐵磁層分為自由層與固定層，MRAM位元單元的寫入資訊是透過切換自由層的磁化方向來運作。讀取資訊時，自由層的磁化方向若與固定層相同，於MTJ的上下電極所量測到的電阻值較小；相反地，若鐵磁層的磁化方向相反，則電阻值較大，藉此可作為記錄0或1的資訊(如圖2)，此電阻值的變化在室溫環境仍然可以穩定超過100%，使得MTJ成為磁性記憶體的標準元件結構。在沒有任何施加電流情況下，此磁化方向平行或反平行的狀態可以恆常維持，達到非揮性記憶體的特點。

圖 1 典型MRAM元件示意圖

圖 2 具有垂直與水平異向性的MTJ，箭號為磁化方向的示意圖，較大的箭號代表異向性較強

2.MRAM MTJ結構傳統退火製程

如圖2所示，MTJ主要使用 CoFeB/MgO/CoFeB 結構，因為它具有較高的 TMR [8]、良好的熱穩定性 [9] 和較低的開關電流密度 [8,10]。在MTJ當中，絕緣層MgO非常薄，雖實現低電阻開關電壓和降低功耗，但增加了元件中的薄膜擊穿風險 [11,12]，導致自由層和固定層之間具有層跟層之間的強交互作用，影響MTJ儲存狀態的穩定性 [13,14,15]，使得MRAM記憶特性失效。沉積後的MTJ需要透過外加磁場對鐵磁層進行熱退火來形成異向性，通常的退火溫度範圍在250~400℃，外加磁場0.3~0.9 Tesla以上，且為避免磁性材料氧化所以退火時需要超高真空10^-6 torr以下。但由於高溫作用常會破壞MTJ的多層膜介面，例如重金屬層與磁性層介面的DMI (Dzyaloshinskii-Moriya interaction)效應 [16]、自旋軌道轉移力矩(Spin-orbit torques，SOT)及人造反鐵磁間的釕(Ruthenium，Ru) [17]與磁多層膜間的介面交互作用等，使得原始設計的MRAM性能大打折扣甚或是功能消失，且高溫退火製程並不利於提升MRAM密度的發展，不論是水平方向或是垂直方向的磁化結構堆疊，都易使薄膜或是摻雜發生擴散造成短路或磁特徵改變 [18,19]。

3.MRAM MTJ結構微波退火技術開發

微波指的是頻率在 300 MHz至300 GHz 之間的電磁波，能夠根據分子與電磁場的相互作用來加熱材料，可對於介電材料、導磁材料及金屬粉末產生加熱作用，一般使用微波進行加熱或退火的應用，幾乎都是利用材料上的介電性質來產生加熱作用，微波電磁場作用在半導體材料矽的共價鍵結構中，產生熱效應的機制源於歐姆傳導損耗和介質極化損耗，其非熱效應可使在缺陷中的原子擴散所需耗費的能量低於傳統熱退火 [18]，根據實際研究半導體掺雜經由微波退火，可在電場作用下樣品溫度在450℃左右即可使掺雜原子達到活化，遠低於傳統退火需要升溫至900℃左右才能活化，主要是因為利用微波退火可以產生在內部基板達到熱作用，但是傳統退火是熱源藉由幅射作用到達基板表面後經由熱傳導產生局部的反應，加熱速率受到各個材料的熱傳導率影響，所以微波加熱在加熱過程的速度和均勻性方面比傳統加熱更有效率，可提升熱製程的經濟效益。微波加熱的基礎在於材料對微波交流電場和磁場的反應程度。測量材料對電場響應的兩個基本屬性是介電常數或介電常數 ε' 和介電損耗 ε'' 。電容率(permittivity)或介電常數(dielectric constant)決定了材料儲存電能的能力，而介電損耗(dielectric loss)決定了材料將電能轉換為熱能的能力。同樣，材料儲存磁能並將其轉化為熱量的能力分別由磁導(permeability, μ' )和磁損耗( magnetic loss, μ'')決定。根據半導體掺雜微波退火的機制應用於MRAM的核心結構MTJ上，微波的電場和磁場可針對結構中多層薄結構做退火，增加磁性層的磁異向性及穿隧磁阻率，以增進並調變MRAM的性能，其中電場耦合至基板中將使晶格震盪擺動形成聲子(phonon)，而磁場的響應形成磁振子(magnon)或同調時會形成鐵磁共振(FMR)，上述的電磁波能量耦合有別於微波的熱效應，乃是藉由微波電磁場直接將能量以波的傳遞直接作用於物質中，微波腔體可控制電磁場模態因而形成有序運動，利用這些物理特徵並增強效能，為釐清微波MRAM MTJ結構微波退火技術，我們以紅外線測溫儀量測溫度，並使用震盪樣品磁化儀(Vibrating Sample Magnetometer, VSM) 量測經微波退火之MTJ矯頑力(Coercivity, H_C )和電流平面穿隧(Current-in-plane Tunneling, CIPT)量測磁阻率(Magnetoresistance Ratio, MR)以確認於MRAM上可應用之性能。