MRAM：內(nèi)存的新潮流(上)

摘要： Freescale運(yùn)用自旋電子技術(shù)制作了新的非易失性RAM，本文對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)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(rùn)更高，而且更難以設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，而內(nèi)存芯片在推動(dòng)半導(dǎo)體技術(shù)向前發(fā)展的過(guò)程中則會(huì)起到關(guān)鍵性的作用。Intel早期的成功，來(lái)源于其1970年推出的、當(dāng)時(shí)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(jì)中取代了磁芯存儲(chǔ)器。DRAM在過(guò)去的歲月中成為半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展的前沿。它還推動(dòng)人們?cè)谛虏牧虾驮O(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(guò)大，于是業(yè)界普遍轉(zhuǎn)向低功耗的CMOS技術(shù)，發(fā)熱問(wèn)題也使得大型機(jī)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(gè)日益嚴(yán)重的問(wèn)題。

Intel的發(fā)展路線圖充滿信心地預(yù)計(jì)未來(lái)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(jìn)到明年的45nm，再發(fā)展到2009的32nm平臺(tái)和2011年的22nm平臺(tái)。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(guò)CMOS漫長(zhǎng)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(shí)候了。

自旋電子時(shí)代的來(lái)臨

在對(duì)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(yùn)電子”的簡(jiǎn)稱)的陣營(yíng)中來(lái)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(dú)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?yàn)樗鼈兏揪蜎](méi)有軸或者其他空間的幾何特征。既然自旋是某種類型的運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)的帶電體會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，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(guò)電子的磁矩(N－S極對(duì)準(zhǔn)的方向)的感測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。自旋可以成為實(shí)現(xiàn)二進(jìn)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(shí)現(xiàn)，就取決于能否廉價(jià)而有效地直接測(cè)量和操控電子自旋。

研究者正在自旋電子學(xué)方面取得進(jìn)展。他們已經(jīng)用基于磁量子細(xì)胞自動(dòng)機(jī)(magnetic quantum cellular automata，納米級(jí)的磁體陣列)的NAND和NOR門(mén)研制出可工作的原型芯片?；诖艑W(xué)的邏輯電路，至少?gòu)脑砩蟻?lái)說(shuō)有望采用比基于晶體管的邏輯電路更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。要實(shí)現(xiàn)一個(gè)雙輸入的AND門(mén)，需要6個(gè)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(lái)就行。不過(guò)商業(yè)化的磁邏輯器件可能直到下一個(gè)十年才有可能推出。要研制出實(shí)用化的、依靠控制基本粒子的量子態(tài)來(lái)進(jìn)行工作的“量子計(jì)算機(jī)”就更加遙不可及。

不過(guò)，業(yè)界不需要等到下一個(gè)十年才去努力攫取自旋電子學(xué)的價(jià)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(shì)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(gè)商用化的MRAM(磁，或磁致電阻式的，隨機(jī)存取芯片)，MR2A16A僅是一個(gè)4Mb器件，但它是一個(gè)開(kāi)端。更大容量的MRAM芯片很快將會(huì)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(jí)芯片(SoC)器件。

自旋電子器件的基本原理

最簡(jiǎn)單的MRAM存儲(chǔ)單元可以采用一個(gè)金屬三明治結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)為一個(gè)非常薄的絕緣體分割開(kāi)來(lái)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(chǎng)方向可以在與底板相同和相反兩個(gè)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(guò)小的電流。該電流會(huì)遇上低電阻(如果兩層磁體材料對(duì)準(zhǔn)的話)或者高電阻(如果兩層磁體材料磁場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)但方向相反的話)，這種通過(guò)控制兩個(gè)疊放磁體的對(duì)準(zhǔn)和反對(duì)準(zhǔn)來(lái)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?yàn)榀B層中頂板具有兩個(gè)相反的穩(wěn)定態(tài)(對(duì)準(zhǔn)方向)，它可以儲(chǔ)存一個(gè)二進(jìn)制的量值。該單元的對(duì)準(zhǔn)態(tài)(低電阻)態(tài)往往指示零，它的反對(duì)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(guò)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(gè)交叉點(diǎn)上。

基本的交叉點(diǎn)陣列交換架構(gòu)與MRAM幾乎毫無(wú)二致。為了讀出一位信息，電流將流過(guò)對(duì)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(xiě)入是通過(guò)向恰當(dāng)?shù)淖志€通電、同時(shí)讓電流流過(guò)位線來(lái)實(shí)現(xiàn)的，電流或者形成對(duì)準(zhǔn)方向(寫(xiě)入0)，或者形成反對(duì)準(zhǔn)狀態(tài)(寫(xiě)入1)。圖1示出了一個(gè)交叉點(diǎn)MRAM架構(gòu)。

圖1 交叉點(diǎn)MRAM構(gòu)架

MRAM的利弊

與SRAM類似的是，MRAM在讀寫(xiě)方面都可以實(shí)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(cuò)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(wú)破壞性、無(wú)需消耗能量來(lái)進(jìn)行刷新等優(yōu)勢(shì)。(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(xiě)入和讀取速度相同的優(yōu)點(diǎn)，并具有承受無(wú)限多次讀－寫(xiě)循環(huán)的能力。(在自由磁體層中來(lái)回切換的運(yùn)動(dòng)是電子的自旋，而電子本身永遠(yuǎn)不會(huì)磨損)。

另外一個(gè)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(guò)程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。另外，因?yàn)镸RAM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(lái)是可以實(shí)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(jiàn)到未來(lái)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(kuò)大的差距。MRAM對(duì)于能支持線程數(shù)不斷提高的多線程的處理器來(lái)說(shuō)有很高的價(jià)值，因?yàn)樗梢蕴峁┲С诌@些器件所必需的極大的帶寬。

之所以這一高達(dá)500億美元的市場(chǎng)置換(如果MRAM能取代所有其他的內(nèi)存的話)還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)镸RAM技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)——至少難以通過(guò)一種實(shí)用化的、可靠的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)攔路虎是對(duì)自由板進(jìn)行寫(xiě)入(重新改變其對(duì)準(zhǔn)方向)所需的功率很高，因此交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)架構(gòu)受到連帶寫(xiě)入問(wèn)題的困擾。雖然只有所選中的位單元會(huì)承受由同時(shí)沿著字線和位線流動(dòng)的電流引起的強(qiáng)烈的激勵(lì)磁場(chǎng)，但沿著其中任一根線上分布的所有其他的位單元也會(huì)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(chǎng)作用并未強(qiáng)到足以重新改變這些單元對(duì)準(zhǔn)方向的地步，因此這些位應(yīng)該毫不受影響。但在實(shí)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(shì)必有可能有某一個(gè)單元的自由板要出現(xiàn)狀態(tài)的隨機(jī)翻轉(zhuǎn)。

問(wèn)題就在于，對(duì)寫(xiě)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(gè)單元的切換勢(shì)壘。遺憾的是，在一個(gè)MRAM陣列中的自由板沒(méi)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(gè)單元的狀態(tài)接近自身閾值而出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)的機(jī)會(huì)就越大。要避免這個(gè)問(wèn)題，就需要對(duì)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(jìn)行嚴(yán)格而一致性的控制，而這種控制的嚴(yán)格性和一致性的程度是難以實(shí)現(xiàn)的。于是，可望實(shí)用化的交叉點(diǎn)陣列，只能用于實(shí)現(xiàn)沒(méi)有什么吸引力的小規(guī)模的存儲(chǔ)之中。

另外，交叉點(diǎn)陣列還會(huì)遇到不易擴(kuò)展的問(wèn)題。在等比例縮小時(shí)，交叉點(diǎn)間的距離縮短，而相鄰單元間的磁場(chǎng)的交疊就愈加嚴(yán)重，同樣會(huì)由于鄰近單元間相互影響而導(dǎo)致的錯(cuò)誤的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。于是，在實(shí)踐中，交叉點(diǎn)陣列間的尺寸長(zhǎng)度不能超過(guò)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(duì)于簡(jiǎn)單的鐵磁性的三明治結(jié)構(gòu)和基本的交叉陣列來(lái)說(shuō)，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(gè)將工作性大大提高的設(shè)計(jì)是“旋檔切換開(kāi)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(xì)研究一番。