STT-MRAM存儲技術(shù)詳解

目前，市場上的幾乎所有產(chǎn)品都使用一種或組合使用若干種基于電荷存儲的易失性存儲器DRAM和SRAM，以及非易失性存儲器NOR和NAND閃存。這些存儲器具有明顯的優(yōu)勢，以至于在過去30年間一直都占居市場主導地位。但因為系統(tǒng)永遠都在追求更快、更小、更可靠、更便宜的存儲器，在未來五到十年間會產(chǎn)生激烈競爭，所以上述存儲器的不足之處，也給其未來的發(fā)展增添了阻礙。

目前有新的突破性技術(shù)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)，它們能夠提供低功耗、高性能、以及無限的使用壽命。磁RAM(MRAM)也是這些新興技術(shù)之一。值得一提的是，MRAM并不是剛剛面市的，早在25年以前，就已經(jīng)首次亮相。目前MRAM可用于各種不同的特殊應用。

然而自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)MRAM非常適合許多主流應用，特別是作為存儲技術(shù)，因為STT-MRAM既擁有DRAM和SRAM的高性能，又具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，所以當電源掉電或徹底關(guān)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(jié)(MTJ)構(gòu)成，多年來。MTJ一直被廣泛用作硬盤驅(qū)動器的讀出頭。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在可制造性方面表現(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(shù)一較高下。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。

本文 關(guān)鍵詞：STT-MRAM  DRAM   SRAM

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