各種MRAM的技術(shù)路徑，MRAM的挑戰(zhàn)和前景

八月初，包括博覽會(huì)在內(nèi)的年度存儲(chǔ)盛會(huì)FMS在美國圣克拉拉會(huì)議中心舉行。許多業(yè)界領(lǐng)先的存儲(chǔ)巨頭展示了他們的最新產(chǎn)品，也分享了未來的看法和觀點(diǎn)。在TechInsights對于會(huì)議總結(jié)的十個(gè)和存儲(chǔ)芯片有關(guān)的重要的結(jié)論中[1]，一條關(guān)于新型存儲(chǔ)的結(jié)論引起關(guān)注：磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）在嵌入式設(shè)備中越來越普遍。

? 上述結(jié)論可以看出業(yè)界巨頭對于MRAM在目前展現(xiàn)出的增長勢頭的肯定以及對于未來使用前景的正面預(yù)測。事實(shí)上不僅是停留在形勢分析上，各大芯片廠商對于MRAM的布局，研發(fā)以及生產(chǎn)都在如火如荼地展開。在semianalysis重建的存儲(chǔ)產(chǎn)品歷史時(shí)間線中[2]，MRAM被超過十次的密集提到，次數(shù)甚至超過其余新型存儲(chǔ)技術(shù)的總和。在2019年，所有領(lǐng)先的晶圓代工廠都在生產(chǎn)嵌入式MRAM（eMRAM）。這些都表明各大芯片廠商對于MRAM的信心。

? 本文旨在討論各種MRAM的技術(shù)路徑，其中包括磁場驅(qū)動(dòng)型、自旋轉(zhuǎn)移扭矩（spin-transfer torque：STT）、自旋軌道扭矩（spin-orbit torque：SOT）、電壓控制磁各向異性（Voltage controlled magnetic annisotropy：VCMA）MRAM的挑戰(zhàn)和前景。 ? ?

01?磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器(MRAM)

如今，存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)已經(jīng)趨于成熟，動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，和Flash存儲(chǔ)器兩者分別占據(jù)了存儲(chǔ)器商業(yè)化市場58%和41%的份額。靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(Static Random Access Memory，SRAM)具備高速讀寫速度，并且其對數(shù)據(jù)保存的功耗要求很低。然而，由于它的大單元尺寸(一個(gè)典型的SRAM存儲(chǔ)單元需要6個(gè)晶體管)限制了它的高密度存儲(chǔ)的應(yīng)用場景，因此常常應(yīng)用在只對速度要求高而對容量要求不苛刻的高速緩存中。

DRAM因其較為簡單的存儲(chǔ)單元構(gòu)成(一個(gè)典型DRAM存儲(chǔ)單元僅需要一個(gè)晶體管和一個(gè)存儲(chǔ)電容)，因此提供了比SRAM更密集的存儲(chǔ)架構(gòu)，但伴隨著嵌入式過程的復(fù)雜性，同時(shí)，由于存儲(chǔ)電容存在電荷泄露問題，DRAM必須在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)刷新電容器以保持?jǐn)?shù)據(jù)的有效性，因此不具備非易失性，同時(shí)伴隨著高功耗的困擾。與SRAM和DRAM相比，閃存Flash最大的優(yōu)勢是提供了非易失性的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，斷電后數(shù)據(jù)信息可以維持。Flash具有較高的密度，但是其讀寫速度較慢，寫耐久性有限，同時(shí)還需要復(fù)雜的電容器制造工藝，因此往往用作有大容量存儲(chǔ)需求，但對速度要求不高的硬盤等存儲(chǔ)設(shè)備。

? 為了解決這些傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的缺陷，多種新型存儲(chǔ)器被提出。這些新型存儲(chǔ)器包括：阻變隨機(jī)存儲(chǔ)器（RRAM），磁阻隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM），鐵電隨機(jī)存儲(chǔ)器（FRAM），相變隨機(jī)存儲(chǔ)器（PCM）。圖1列出了幾種存儲(chǔ)器的參數(shù)指標(biāo)，其中MRAM與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比，以具有高密度、高性能、幾乎零待機(jī)功率和優(yōu)異耐久性的優(yōu)勢被認(rèn)為是新興存儲(chǔ)技術(shù)中最有前途的候選技術(shù)之一。 ?

圖1：MRAM與其他存儲(chǔ)器性能的對比圖。其中綠色、紅色和黃色分別表示相應(yīng)存儲(chǔ)技術(shù)的理想、不理想和中間性能。 ?

磁隨機(jī)存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)是利用磁性隧道結(jié)（MTJ）的磁化特性。由外場、電流或電壓驅(qū)動(dòng)使得自由層中磁矩的方向發(fā)生翻轉(zhuǎn)，變成與參考層中磁矩方向相反或平行，形成高低阻態(tài)，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制中的“1”和“0”態(tài)來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，讀時(shí)可以測量隧道結(jié)的電阻值來獲取信息。通過外磁場實(shí)現(xiàn)自由層中磁矩翻轉(zhuǎn)的為第一代MRAM，叫做磁場的驅(qū)動(dòng)型MRAM；通過通入垂直于隧道結(jié)的電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的為第二代MRAM，叫自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM（STT-MRAM）；第三代MRAM技術(shù)分為兩種，分別為通過在重金屬層中通入面內(nèi)電流使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫自旋軌道矩MRAM（SOT-MRAM）和通過施加電壓改變磁各向異性使得磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)的叫做壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。 ? ?

02?磁性隧道結(jié)（MTJ）

MRAM信息的讀取是基于隧穿磁電阻效應(yīng)（Tunneling Magnetoresistance effect, TMR）。TMR是源于磁隧道結(jié)中（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）兩層鐵磁層的磁化強(qiáng)度方向的相對變化，如圖2所示：其中一個(gè)鐵磁層作為參考，其磁化強(qiáng)度固定在一個(gè)方向；另外一個(gè)鐵磁層作為自由層，其磁矩可以在平行于參考層方向也可以在反平行于參考層方向。

當(dāng)參考層和自由層的磁化強(qiáng)度平行排列時(shí)，電子隧穿幾率最大，TMR較低，MTJ處于低阻態(tài)，其電阻為“1”態(tài)；當(dāng)參考層和自由層的磁化強(qiáng)度反平行排列時(shí)，電子隧穿幾率最小，TMR較高，MTJ處于高阻態(tài)，其電阻為“0”態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“1”、“0”的二進(jìn)制存儲(chǔ)，MTJ 成為了任何MRAM的必不可少的基本組成部分。 ?

圖2 磁性隧道結(jié)(MTJ)的基本結(jié)構(gòu) ? ?

03?第一代MRAM

磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM

第一代MRAM是利用電流產(chǎn)生的磁場對MTJ中自由層的磁矩進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)信息的寫入。因?yàn)檫@類MRAM的信息寫入是靠磁場來實(shí)現(xiàn)的，所以這類MRAM又叫做磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM。如圖3所示，每一個(gè)信息存儲(chǔ)單元上、下各有一條寫入導(dǎo)線，兩條導(dǎo)線相互垂直。在寫入時(shí)，向兩根導(dǎo)線內(nèi)通入電流，當(dāng)通電導(dǎo)線相交的地方（圖4）的磁場場足夠大時(shí)，就可以將MTJ中自由層的磁矩翻轉(zhuǎn)，進(jìn)而改變MTJ的電阻狀態(tài)實(shí)現(xiàn)信息的寫入[3]。

但是對于磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM卻存在眾多缺點(diǎn)：首先，需要很大的電流產(chǎn)生足夠大的磁場來翻轉(zhuǎn)MTJ中自由層的磁矩。在這種情況下，如果進(jìn)一步增加存儲(chǔ)密度，就會(huì)導(dǎo)致所需要的電流密度增加，使得信息寫入效率降低。其次，當(dāng)存儲(chǔ)單元的尺寸縮小時(shí)，在對一個(gè)存儲(chǔ)單元進(jìn)行信息寫入時(shí)會(huì)導(dǎo)致相鄰的存儲(chǔ)單元也會(huì)感應(yīng)到磁場的作用，導(dǎo)致信息的錯(cuò)誤寫入或信息存儲(chǔ)的不穩(wěn)定。為了解決這些問題，第二代基于自旋轉(zhuǎn)移矩驅(qū)動(dòng)的MRAM 應(yīng)運(yùn)而生。 ?

圖3 磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM的器件示意圖 ?

圖4 磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM陣列的俯視圖，突出顯示中心的全選位(紅色)和沿載流寫入線的1/2選位(藍(lán)色)。在磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM中，所有位相對于寫線的方向是45°。摘自[3]。 ? ?

04?第二代MRAM

STT-MRAM

自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存儲(chǔ)器是利用自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)設(shè)計(jì)的器件，具有耗能少、高密度、非易失性、可擴(kuò)展性、兼容性、持久性等優(yōu)點(diǎn)，因而成為第二代MRAM。相比于第一代MRAM，STT-MRAM減少了字線，大大降低了制作存儲(chǔ)器的難度（圖5）。在STT-MRAM 中，電流流經(jīng)MTJ中的參考層時(shí)，會(huì)使得電子的自旋方向沿一個(gè)方向極化進(jìn)而產(chǎn)生自旋極化電流，然后自旋極化電流通過MTJ的自由層時(shí)，會(huì)將自身的自旋角動(dòng)量轉(zhuǎn)移給自由層的電子，轉(zhuǎn)移的角動(dòng)量以力矩的形式表現(xiàn)出來，即自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin transfer torque, STT），并作用在自由層磁矩上，如果自旋角動(dòng)量足夠大時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)自由層磁矩方向的翻轉(zhuǎn)。

STT-MRAM是一種由電流驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)的器件，減少了由磁場驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)而帶來的諸多麻煩。在讀取信息時(shí)STT-MRAM需要的電流較小。隨著存儲(chǔ)器件越來越小，對磁隧道結(jié)的尺寸要求越來越苛刻，當(dāng)隧道結(jié)小到納米量級(jí)時(shí)，磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM由于邊緣效應(yīng)的增大會(huì)需要更大的磁場來驅(qū)動(dòng)磁矩的翻轉(zhuǎn)，但對于STT-MRAM驅(qū)動(dòng)磁矩翻轉(zhuǎn)所需的電流卻會(huì)隨隧道結(jié)的減小而減小。

雖然 STT-MRAM 和磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM相比優(yōu)勢很多，但其仍存在缺陷。STT作用由于存在初始延遲現(xiàn)象，降低了磁矩的翻轉(zhuǎn)速度，要想取得高速翻轉(zhuǎn)，可以減小自由層厚度或者增大通入隧道結(jié)的電流，但電流的增大會(huì)破壞隧道結(jié)中的勢壘層。為了提高存儲(chǔ)速度，研究者采用了不同的辦法和途徑，基于兩種不同技術(shù)的第三代MRAM也出現(xiàn)在人們的視線中。 ?

圖5 基于垂直型STT-MRAM的器件示意圖 ? ?

05?第三代MRAM

SOT-MRAM

相比于STT-MRAM的兩端式讀/寫方法，SOT-MRAM采用的是三端式讀/寫方法：兩個(gè)寫入端和一個(gè)讀取端，如圖6所示。其中讀取路徑和寫入路徑是相互獨(dú)立且相互垂直的，寫入的時(shí)候電流不通過勢壘層，讀的時(shí)候電流通過勢壘層，這樣大大降低了電流對隧道結(jié)中勢壘層的破壞。讀寫互不干擾且可以分別對寫入路徑和讀取路徑進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)更小、更快、更高效、更穩(wěn)定的存儲(chǔ)。對于SOT-MRAM而言，其信息的讀取主要靠的還是MTJ，SOT-MRAM信息的寫入端是由一層重金屬層構(gòu)成，重金屬層與MTJ中的自由層相接觸。重金屬因?yàn)槠湓有驍?shù)較大，所以其自旋軌道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）作用也較強(qiáng)，可以將通入其中的電荷流轉(zhuǎn)換為純的自旋流并注入到MTJ的自由層中，對磁矩或者磁疇壁施加自旋軌道矩的作用實(shí)現(xiàn)磁矩翻轉(zhuǎn)完成信息的寫入。 ?

SOT-MRAM仍然存在一個(gè)主要缺點(diǎn)：面積消耗。具有柱狀結(jié)構(gòu)的 STT-MRAM是一種兩端器件，但SOT-MRAM是一種三端器件—將兩個(gè)晶體管合并到一個(gè)單元中和一個(gè)相對較大的選擇器晶體管（以適應(yīng)寫入所需的相對較大的電流需要）。 ?

圖6 基于垂直型SOT-MRAM的器件示意圖 ? ?

06?第三代MRAM

MeRAM

壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）被認(rèn)為是另一種第三代MRAM。如圖7,STT-MRAM和MeRAM使用相似的器件結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)機(jī)制，但是他們的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)方式天差地別。STT-MRAM存儲(chǔ)單元的寫入是通過電流執(zhí)行的，而MeRAM使用電場進(jìn)行寫入操作——這大大降低了能耗。將自由層從平行狀態(tài)切換到反平行狀態(tài)（反之亦然）需要兩個(gè)基本組件：一個(gè)電壓（穿過隧道勢壘）以消除能量勢壘，以及一個(gè)外部面內(nèi)用于磁矩翻轉(zhuǎn)的磁場。

? MeRAM在近年來的MRAM研究中具有重要的吸引力。一方面，作為一種寫入機(jī)制，其功耗比所有其他新型存儲(chǔ)技術(shù)低幾個(gè)數(shù)量級(jí)（降到飛焦/比特）。另一方面，MeRAM通過降低MTJ兩種磁化狀態(tài)之間的能量勢壘，實(shí)現(xiàn)了媲美SOT-MRAM的寫入速度（幾百皮秒），比STT-MRAM快一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。此外，由于不需要電流，勢壘層可以比STT/SOT-MRAM做得更厚，以抑制寫入能量和勢壘層的破壞，所以耐久性會(huì)非常高。電壓驅(qū)動(dòng)機(jī)制還帶來了其他優(yōu)點(diǎn)，如高密度，由于數(shù)據(jù)寫入操作所需的驅(qū)動(dòng)電流密度降低，可以減少接入晶體管的尺寸。MeRAM融合了低功耗、高速、高密度等優(yōu)點(diǎn)，有望成為新型存儲(chǔ)器中黑馬。 ?

圖7 基于垂直型MeRAM的器件示意圖 ? ?

參考資料 [1]https://www.techinsights.com/blog/review-and-things-know-flash-memory-summit-2022 [2]https://semianalysis.com/the-history-and-timeline-of-flash-memory/ [3]?kerman, Johan. "Toward a universal memory."?science 308.5721 (2005): 508-510. ? ?

編輯：黃飛

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