MRAM：內(nèi)存的新潮流(上)

摘要： Freescale運用自旋電子技術(shù)制作了新的非易失性RAM，本文對此進行了詳細介紹。

關(guān)鍵詞： MRAM；自旋電子；位線；字線

在半導(dǎo)體業(yè)界，微處理器是一種更有魅力，利潤更高，而且更難以設(shè)計的產(chǎn)品，而內(nèi)存芯片在推動半導(dǎo)體技術(shù)向前發(fā)展的過程中則會起到關(guān)鍵性的作用。Intel早期的成功，來源于其1970年推出的、當(dāng)時業(yè)界第一款DRAM芯片，1kb的1103。兩年后，1103成為業(yè)界銷售情況最好的內(nèi)存芯片，在很多新的系統(tǒng)設(shè)計中取代了磁芯存儲器。DRAM在過去的歲月中成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的前沿。它還推動人們在新材料和設(shè)備方面投入大筆資金。上世紀(jì)80年代中期，NMOS技術(shù)制作的大規(guī)模DRAM(1MB或更高)的發(fā)熱量過大，于是業(yè)界普遍轉(zhuǎn)向低功耗的CMOS技術(shù)，發(fā)熱問題也使得大型機取消了ECL電路。如今，隨著晶體管繼續(xù)等比例縮小，發(fā)熱又成為CMOS技術(shù)的一個日益嚴重的問題。

Intel的發(fā)展路線圖充滿信心地預(yù)計未來的芯片的幾何尺寸按規(guī)則的兩年周期不斷下降，從今年還是領(lǐng)先的65nm技術(shù)前進到明年的45nm，再發(fā)展到2009的32nm平臺和2011年的22nm平臺。工程師們作出了種種驚人的努力，以推遲CMOS晶體管的等比例縮小的終結(jié)。這些努力包括銅互連、高k和低k介質(zhì)、絕緣體上硅(SOI)、應(yīng)力硅、雙柵晶體管等等。不過CMOS漫長的統(tǒng)治終將終結(jié)?，F(xiàn)在該是找到一種能讓半導(dǎo)體業(yè)的發(fā)展延續(xù)至2020年并跨越2020年的新技術(shù)的時候了。

自旋電子時代的來臨

在對半導(dǎo)體新技術(shù)的追求中，技術(shù)研發(fā)者中有一大批技術(shù)人員已經(jīng)站到自旋電子(即“自旋態(tài)輸運電子”的簡稱)的陣營中來并搖旗吶喊。自旋電子學(xué)建立在電子兩種自旋狀態(tài)這一獨特的基本特性的基礎(chǔ)上。

電子具有質(zhì)量，但它們的尺寸極小，接近于零，它們的“自旋”并非是繞空間某根軸的旋轉(zhuǎn)，因為它們根本就沒有軸或者其他空間的幾何特征。既然自旋是某種類型的運動，而運動的帶電體會產(chǎn)生磁場，于是電子的自旋使得電子成為微型的磁偶極子，成為自然界的一種基本磁體。自旋方向的確定可以通過電子的磁矩(N－S極對準(zhǔn)的方向)的感測來實現(xiàn)。自旋可以成為實現(xiàn)二進制編碼的物質(zhì)基礎(chǔ)——“上旋”代表0，“下旋”可以代表1，而該技術(shù)的實現(xiàn)，就取決于能否廉價而有效地直接測量和操控電子自旋。

研究者正在自旋電子學(xué)方面取得進展。他們已經(jīng)用基于磁量子細胞自動機(magnetic quantum cellular automata，納米級的磁體陣列)的NAND和NOR門研制出可工作的原型芯片?；诖艑W(xué)的邏輯電路，至少從原理上來說有望采用比基于晶體管的邏輯電路更簡單的結(jié)構(gòu)。要實現(xiàn)一個雙輸入的AND門，需要6個晶體管，而同樣功能的納米電路只需將兩條磁納米線連接起來就行。不過商業(yè)化的磁邏輯器件可能直到下一個十年才有可能推出。要研制出實用化的、依靠控制基本粒子的量子態(tài)來進行工作的“量子計算機”就更加遙不可及。

不過，業(yè)界不需要等到下一個十年才去努力攫取自旋電子學(xué)的價值。與以往重要的新的半導(dǎo)體技術(shù)總是引入內(nèi)存技術(shù)的歷史發(fā)展趨勢一樣，基于自旋電子學(xué)原理的內(nèi)存芯片現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)。今年7月，F(xiàn)reescale Semiconductor推出了全球第一個商用化的MRAM(磁，或磁致電阻式的，隨機存取芯片)，MR2A16A僅是一個4Mb器件，但它是一個開端。更大容量的MRAM芯片很快將會出現(xiàn)。這種技術(shù)有望將快速的、非易失性的內(nèi)存嵌入到微處理器、微控制器、ASIC和系統(tǒng)級芯片(SoC)器件。

自旋電子器件的基本原理

最簡單的MRAM存儲單元可以采用一個金屬三明治結(jié)構(gòu)，包括兩個為一個非常薄的絕緣體分割開來的迭層板結(jié)構(gòu)。底層板的磁矩是固定的(“釘扎的”)，稱為固定板，而頂層板的N－S極走向是雙穩(wěn)態(tài)式的(可變的)，被稱為自由層。頂板的磁場方向可以在與底板相同和相反兩個狀態(tài)間切換。

由于有量子隧道效應(yīng)存在，這種三明治結(jié)構(gòu)中的薄絕緣層可以流過小的電流。該電流會遇上低電阻(如果兩層磁體材料對準(zhǔn)的話)或者高電阻(如果兩層磁體材料磁場對準(zhǔn)但方向相反的話)，這種通過控制兩個疊放磁體的對準(zhǔn)和反對準(zhǔn)來改變電阻的原理被稱為磁致電阻效應(yīng)(即MRAM中的M)。兩塊極板間的間隙被稱為磁隧道結(jié)(MTJ)。因為疊層中頂板具有兩個相反的穩(wěn)定態(tài)(對準(zhǔn)方向)，它可以儲存一個二進制的量值。該單元的對準(zhǔn)態(tài)(低電阻)態(tài)往往指示零，它的反對準(zhǔn)(高阻態(tài))往往代表1。

基于磁致電阻的MRAM位單元需要分布在雙層上的、相互垂直的導(dǎo)線柵格。由于上層的線和下層的線必須經(jīng)過該單元的頂板和底板，而不至于真正接觸到它們，因此這兩層金屬間的垂直距離需要略大于MRAM位單元本身的高度。MRAM位單元夾在兩層線之間，水平位置在每個交叉點上。

基本的交叉點陣列交換架構(gòu)與MRAM幾乎毫無二致。為了讀出一位信息，電流將流過對應(yīng)的底部字線，沿著所選通的單元向上流出，邏輯電路則感應(yīng)出在所連接的頂部位線上的相應(yīng)電流。寫入是通過向恰當(dāng)?shù)淖志€通電、同時讓電流流過位線來實現(xiàn)的，電流或者形成對準(zhǔn)方向(寫入0)，或者形成反對準(zhǔn)狀態(tài)(寫入1)。圖1示出了一個交叉點MRAM架構(gòu)。

圖1 交叉點MRAM構(gòu)架

MRAM的利弊

與SRAM類似的是，MRAM在讀寫方面都可以實現(xiàn)高速化，而且本身還具有極高的可靠性(磁體本質(zhì)上是抗輻射的，因此MRAM本身可以免受軟錯誤之害。)而MRAM與DRAM類似之處，就在于它是高密度的，而且還具有讀取無破壞性、無需消耗能量來進行刷新等優(yōu)勢。(磁體不受電荷漏電之苦。)MRAM與閃存的類似之處，就在于同樣是非易失性的，它還具備了寫入和讀取速度相同的優(yōu)點，并具有承受無限多次讀－寫循環(huán)的能力。(在自由磁體層中來回切換的運動是電子的自旋，而電子本身永遠不會磨損)。

另外一個吸引人的特色就是MRAM單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。另外，因為MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，將2~3層單元疊放起來是可以實現(xiàn)的，這樣就可以在邏輯電路上方構(gòu)造規(guī)模極大的內(nèi)存陣列。這樣的可能性使我們可以預(yù)見到未來有望出現(xiàn)新型的、功能大大提升的單芯片系統(tǒng)這一美好前景。由于可以取代DRAM、SRAM或者閃存，MRAM可以消除處理器－內(nèi)存性能之間不斷擴大的差距。MRAM對于能支持線程數(shù)不斷提高的多線程的處理器來說有很高的價值，因為它可以提供支持這些器件所必需的極大的帶寬。

之所以這一高達500億美元的市場置換(如果MRAM能取代所有其他的內(nèi)存的話)還沒有實現(xiàn)，是因為MRAM技術(shù)難以實現(xiàn)——至少難以通過一種實用化的、可靠的方式來實現(xiàn)。一個攔路虎是對自由板進行寫入(重新改變其對準(zhǔn)方向)所需的功率很高，因此交叉點開關(guān)架構(gòu)受到連帶寫入問題的困擾。雖然只有所選中的位單元會承受由同時沿著字線和位線流動的電流引起的強烈的激勵磁場，但沿著其中任一根線上分布的所有其他的位單元也會承受一半的切換功率，因此它們被“半選中”。理論上，“半選中”的磁場作用并未強到足以重新改變這些單元對準(zhǔn)方向的地步，因此這些位應(yīng)該毫不受影響。但在實踐中，由于MRAM單元要構(gòu)成大規(guī)模的陣列，在那些為數(shù)眾多的“半選中”的單元中勢必有可能有某一個單元的自由板要出現(xiàn)狀態(tài)的隨機翻轉(zhuǎn)。

問題就在于，對寫入線(字或位)線通電，可以降低這條線(位于其上方或下方)上的每個單元的切換勢壘。遺憾的是，在一個MRAM陣列中的自由板沒有共同的、固定的切換閾值。于是，“半選中”的單元數(shù)量越多，其中某個單元的狀態(tài)接近自身閾值而出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的機會就越大。要避免這個問題，就需要對陣列的布局、內(nèi)存單元的構(gòu)造以及導(dǎo)線上的電流分布進行嚴格而一致性的控制，而這種控制的嚴格性和一致性的程度是難以實現(xiàn)的。于是，可望實用化的交叉點陣列，只能用于實現(xiàn)沒有什么吸引力的小規(guī)模的存儲之中。

另外，交叉點陣列還會遇到不易擴展的問題。在等比例縮小時，交叉點間的距離縮短，而相鄰單元間的磁場的交疊就愈加嚴重，同樣會由于鄰近單元間相互影響而導(dǎo)致的錯誤的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。于是，在實踐中，交叉點陣列間的尺寸長度不能超過一定的限度，而當(dāng)前的半導(dǎo)體集成電路則早已突破了這一尺寸極限值。

對于簡單的鐵磁性的三明治結(jié)構(gòu)和基本的交叉陣列來說，上述弊病的解決之道是更為復(fù)雜的自旋電子結(jié)構(gòu)。一個將工作性大大提高的設(shè)計是“旋檔切換開關(guān)(toggle-mode switching)”，這也就是Freescale最近推出的4Mb MRAM，MR2A16A所采用的結(jié)構(gòu)。作為第一種投入批量生產(chǎn)的MRAM產(chǎn)品，這款芯片值得仔細研究一番。