STT MRAM单元的读取电压及电学直径的尺寸依赖性

《IEEE Magnetics Letters》：Size Dependence of the Read Voltage and Electrical Diameter of STT MRAM Cells

研究垂直自旋转移扭矩磁阻存储器（STT-MRAM）的尺寸依赖性，发现最大读信号与尺寸无关，而TMR比值随尺寸减小而降低，主要归因于纳米加工过程的寄生电阻效应，同时证实内禀ΔRA与尺寸无关，为亚20nm尺度下可靠提取电气直径提供依据。

　　

摘要：

我们开展了一项实验研究，研究了垂直自旋转移扭矩磁阻随机存取（MRAM）存储单元中隧穿磁阻比（TMR）和电压读取信号与尺寸之间的关系。研究结果表明，最大读取信号基本不受尺寸影响，而TMR则随尺寸减小而降低。分析表明，这种现象是由于纳米制造过程中产生的尺寸依赖性寄生电阻所致；此外，存储单元本身的固有电阻变化（ΔRA）与尺寸无关。因此，只要ΔRA不随单元尺寸变化，我们就可以可靠地确定MRAM单元的电学直径，即使单元尺寸小于20纳米。

引言

理解自旋转移扭矩磁阻随机存取存储器（STT-MRAM）参数的尺寸依赖性对于将该技术扩展到先进的互补金属氧化物半导体（CMOS）节点至关重要[Jinnai 2020]。已有研究探讨了自由层（FL）的各向异性场[Shinozaki 2018, Watanabe 2018]和热稳定性[Sato 2014]以及MRAM写入电流[Gajek 2012, Nowak 2016]的尺寸缩放问题。研究发现，随着单元直径的减小，提供MRAM读取信号的隧穿磁阻比（TMR）会下降，这归因于自由层和参考层（RL）受到工艺损伤[Kinoshita 2014]。另有研究指出，当器件尺寸缩小到20纳米以下时，平行（P）状态的电阻增加幅度远超基于薄膜层电阻-面积乘积RA及隧穿或扫描电子显微镜测量的物理直径所预测的值[Gajek 2012, Nowak 2016]。这导致器件层面的电学直径（ED）估计值小于实际物理直径，或者电阻值（RA）偏高。