STT-MRAM存儲(chǔ)技術(shù)詳解

存儲(chǔ)器是當(dāng)今每一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、存儲(chǔ)方案和移動(dòng)設(shè)備都使用的關(guān)鍵部件之一。存儲(chǔ)器的性能、可擴(kuò)展性，可靠性和成本是決定推向市場(chǎng)的每個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)上成功或失敗的主要標(biāo)準(zhǔn)。

目前，幾乎所有產(chǎn)品都使用一種或組合使用若干種基于電荷存儲(chǔ)的易失性存儲(chǔ)器DRAM和SRAM，以及非易失性存儲(chǔ)器NOR和NAND閃存。現(xiàn)有的這些存儲(chǔ)器具有顯著優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致其在過去30年占居市場(chǎng)主導(dǎo)地位。但因?yàn)橄到y(tǒng)始終在追求更快、更小、更可靠、更便宜，以在未來五到十年間進(jìn)行有力競(jìng)爭(zhēng)，所以上述存儲(chǔ)器的不足，也給其未來蒙上陰影。

有新的突破性技術(shù)以挑戰(zhàn)者姿態(tài)進(jìn)入市場(chǎng)，特別是諸如電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(PCRAM)等非易失性存儲(chǔ)器(NVM)，它們承諾提供高性能、低功耗、以及無限的使用壽命。磁RAM(MRAM)也是這些新興技術(shù)之一。

需要注意的是，MRAM并非初來乍到，其在25年以前，就已在行業(yè)會(huì)議上首次亮相。因其與基于電荷存儲(chǔ)的存儲(chǔ)器是如此迥然不同，當(dāng)時(shí)曾令人激動(dòng)萬分。現(xiàn)在，已有幾種不同類型的MRAM在應(yīng)用，其中包括場(chǎng)開關(guān)和熱輔助MRAM。所有這些技術(shù)都具有顯著的優(yōu)異特性，從而使MRAM可用于各種不同的特殊應(yīng)用。

但自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)MRAM非常適合許多主流應(yīng)用，特別是作為存儲(chǔ)技術(shù)，因?yàn)樗扔蠨RAM和SRAM的高性能，又有閃存的低功耗和低成本，且其可采用10nm工藝制造;另外，還可沿用現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)和工藝。因它是非易失性的，所以當(dāng)電源掉電或徹底關(guān)閉時(shí)，STT-MRAM將能無限期地保存數(shù)據(jù)。

不同于萬眾矚目的新秀RRAM，MRAM作為存儲(chǔ)器件的基本物理原理已廣為人知。

就MRAM來說，其存儲(chǔ)單元由一個(gè)磁隧道結(jié)(MTJ)構(gòu)成，多年來。MTJ一直被廣泛用作硬盤驅(qū)動(dòng)器的讀出頭。早期的MRAM器件利用平面內(nèi)MTJ(iMTJ)，其中磁矩(具有幅度和方向的向量)平行于襯底的硅表面(圖1)。

圖1：內(nèi)嵌式MTJ框圖。

現(xiàn)在有了另一種、更優(yōu)化的MTJ版本——垂直MTJ(pMTJ)，其磁矩垂直于硅襯底表面(圖2)。

圖2：垂直MTJ圖。

雖然基于iMTJ的STT-MRAM用90nm以下工藝節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)還不甚成熟，且在200mm晶圓也無成本競(jìng)爭(zhēng)力，但基于pMTJ的STT-MRAM在可制造性方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)，可延伸至10nm以下工藝實(shí)現(xiàn)。在成本方面，它有望與諸如DRAM等其它存儲(chǔ)器技術(shù)一爭(zhēng)高下。在未來幾年，由于STT-MRAM的這種可擴(kuò)展性，它將在低和中密度應(yīng)用中替代DRAM和閃存。

STT-MRAM制造

在典型的STT-MRAM整合工藝中，MTJ夾在兩個(gè)金屬層之間所以需要兩個(gè)額外掩膜。而早期的工藝依賴為硬盤驅(qū)動(dòng)器(HDD)工業(yè)設(shè)計(jì)的工具，近年來，半導(dǎo)體制造行業(yè)內(nèi)的大型設(shè)備工具廠商一直在開發(fā)300mm晶圓生產(chǎn)所需的關(guān)鍵的沉積和蝕刻工具。因此，現(xiàn)在以40nm以下工藝制造大容量300mm STT-MRAM晶圓的生態(tài)系統(tǒng)業(yè)已就位。

STT-MRAM的一個(gè)關(guān)鍵特殊是它使用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS晶體管，而且MTJ處理是在生產(chǎn)線后端(BEOL)完成的。這使得制造過程是無縫的，因此同時(shí)適用于離散式和嵌入式兩種應(yīng)用的大容量、低成本生產(chǎn)。

應(yīng)用

作為一種獨(dú)立的存儲(chǔ)器件，基于其更高速度、更低延遲、可擴(kuò)展性和無限使用壽命等特性，STT-MRAM被用于取代SRAM、DRAM和NOR閃存。STT-MRAM不像DRAM那樣需要功率刷新，且其讀出過程是不破壞所存數(shù)據(jù)的。在系統(tǒng)級(jí)，這些特性提供了顯著的功耗優(yōu)勢(shì)及更低延遲。

當(dāng)今，許多的SoC、CPU和GPU內(nèi)，50%至80%的芯片面積被存儲(chǔ)器占用。這種嵌入式存儲(chǔ)器大多趨向于使用四或六個(gè)晶體管的SRAM。與其相比，STT-MRAM使用一個(gè)晶體管。為節(jié)省芯片空間，最新的CPU也在整合進(jìn)e-DRAM，盡管其工藝實(shí)現(xiàn)非常困難。因STT-MRAM可采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS實(shí)現(xiàn)，所以可輕松實(shí)施整合，故而非常適合這類應(yīng)用。

STT-MRAM顯著減小了芯片尺寸，同時(shí)提供了接近邏輯處理速度的高速NVM。可以預(yù)期，該技術(shù)可提供更低成本、更快啟動(dòng)時(shí)間、以及一系列新功能，故特別適用于移動(dòng)和存儲(chǔ)設(shè)備應(yīng)用。

企業(yè)存儲(chǔ)是基于pMTJ的STT-MRAM的主要應(yīng)用場(chǎng)合。存儲(chǔ)陣列和數(shù)據(jù)中心正處于從舊的傳統(tǒng)硬盤驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)到基于全硅(固態(tài)硬盤，SSD)的閃存系統(tǒng)的巨大變革中。同時(shí)，軟件定義數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)在與虛擬化結(jié)合起來，在未來幾年，將繼續(xù)使整個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域脫胎換骨。