STT-MRAM存儲技術詳解

存儲器是當今每一個計算機系統(tǒng)、存儲方案和移動設備都使用的關鍵部件之一。存儲器的性能、可擴展性，可靠性和成本是決定推向市場的每個系統(tǒng)產品經(jīng)濟上成功或失敗的主要標準。

目前，幾乎所有產品都使用一種或組合使用若干種基于電荷存儲的易失性存儲器DRAM和SRAM，以及非易失性存儲器NOR和NAND閃存。現(xiàn)有的這些存儲器具有顯著優(yōu)勢，導致其在過去30年占居市場主導地位。但因為系統(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行有力競爭，所以上述存儲器的不足，也給其未來蒙上陰影。

有新的突破性技術以挑戰(zhàn)者姿態(tài)進入市場，特別是諸如電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(PCRAM)等非易失性存儲器(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)會議上首次亮相。因其與基于電荷存儲的存儲器是如此迥然不同，當時曾令人激動萬分。現(xiàn)在，已有幾種不同類型的MRAM在應用，其中包括場開關和熱輔助MRAM。所有這些技術都具有顯著的優(yōu)異特性，從而使MRAM可用于各種不同的特殊應用。

但自旋轉移力矩(STT)MRAM非常適合許多主流應用，特別是作為存儲技術，因為它既有DRAM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制造技術和工藝。因它是非易失性的，所以當電源掉電或徹底關閉時，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作為存儲器件的基本物理原理已廣為人知。

就MRAM來說，其存儲單元由一個磁隧道結(MTJ)構成，多年來。MTJ一直被廣泛用作硬盤驅動器的讀出頭。早期的MRAM器件利用平面內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)點實現(xiàn)還不甚成熟，且在200mm晶圓也無成本競爭力，但基于pMTJ的STT-MRAM在可制造性方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢，可延伸至10nm以下工藝實現(xiàn)。在成本方面，它有望與諸如DRAM等其它存儲器技術一爭高下。在未來幾年，由于STT-MRAM的這種可擴展性，它將在低和中密度應用中替代DRAM和閃存。

STT-MRAM制造

在典型的STT-MRAM整合工藝中，MTJ夾在兩個金屬層之間所以需要兩個額外掩膜。而早期的工藝依賴為硬盤驅動器(HDD)工業(yè)設計的工具，近年來，半導體制造行業(yè)內的大型設備工具廠商一直在開發(fā)300mm晶圓生產所需的關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的一個關鍵特殊是它使用標準的CMOS晶體管，而且MTJ處理是在生產線后端(BEOL)完成的。這使得制造過程是無縫的，因此同時適用于離散式和嵌入式兩種應用的大容量、低成本生產。

應用

作為一種獨立的存儲器件，基于其更高速度、更低延遲、可擴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，這些特性提供了顯著的功耗優(yōu)勢及更低延遲。

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

STT-MRAM顯著減小了芯片尺寸，同時提供了接近邏輯處理速度的高速NVM。可以預期，該技術可提供更低成本、更快啟動時間、以及一系列新功能，故特別適用于移動和存儲設備應用。

企業(yè)存儲是基于pMTJ的STT-MRAM的主要應用場合。存儲陣列和數(shù)據(jù)中心正處于從舊的傳統(tǒng)硬盤驅動器系統(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，軟件定義數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡和存儲在與虛擬化結合起來，在未來幾年，將繼續(xù)使整個數(shù)據(jù)存儲領域脫胎換骨。