STT-MRAM存儲(chǔ)技術(shù)解析

 

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)器具有非常大的優(yōu)勢，所以在過去30年一直占據(jù)市場主導(dǎo)地位。但由于系統(tǒng)始終在追求更小、更快、更可靠、更便宜的存儲(chǔ)器，以便在未來五到十年間進(jìn)行有力競爭，所以上述存儲(chǔ)器的不足也給其未來發(fā)展帶來未知的變化。

 

最近有新的突破性技術(shù)強(qiáng)勢進(jìn)入市場，特別是電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(PCRAM)等非易失性存儲(chǔ)器(NVM)，它們表示將提供低功耗、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。

 

其實(shí)MRAM并不是新產(chǎn)品，早在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)器是截然不同的，當(dāng)時(shí)曾轟動(dòng)業(yè)界。現(xiàn)在，已經(jīng)有幾種不同類型的MRAM使用在不同的應(yīng)用上，其中包括場開關(guān)和熱輔助MRAM。所有這些技術(shù)都具有顯著的優(yōu)異特性，因此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，作為存儲(chǔ)技術(shù)來說，它不但有DRAM和SRAM的高性能，而且具有閃存的低功耗和低成本，且其可采用10nm工藝制造；此外，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。

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(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)決一勝負(fù)。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。


本文關(guān)鍵詞：STT-MRAM

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