STT-MRAM存储技术详解

作者：Avalanche Technology业务发展副总裁 Michael Ofstedahl

存储器是当今每一个计算机系统、存储方案和移动设备都使用的关键部件之一。存储器的性能、可扩展性，可靠性和成本是决定推向市场的每个系统产品经济上成功或失败的主要标准。

目前，几乎所有产品都使用一种或组合使用若干种基于电荷存储的易失性存储器DRAM和SRAM，以及非易失性存储器NOR和NAND闪存。现有的这些存储器具有显著优势，导致其在过去30年占居市场主导地位。但因为系统始终在追求更快、更小、更可靠、更便宜，以在未来五到十年间进行有力竞争，所以上述存储器的不足，也给其未来蒙上阴影。

有新的突破性技术以挑战者姿态进入市场，特别是诸如电阻式RAM(RRAM)和相变RAM(PCRAM)等非易失性存储器(NVM)，它们承诺提供高性能、低功耗、以及无限的使用寿命。磁RAM(MRAM)也是这些新兴技术之一。

需要注意的是，MRAM并非初来乍到，其在25年以前，就已在行业会议上首次亮相。因其与基于电荷存储的存储器是如此迥然不同，当时曾令人激动万分。现在，已有几种不同类型的MRAM在应用，其中包括场开关和热辅助MRAM。所有这些技术都具有显着的优异特性，从而使MRAM可用于各种不同的特殊应用。

但自旋转移力矩(STT)MRAM非常适合许多主流应用，特别是作为存储技术，因为它既有DRAM和SRAM的高性能，又有闪存的低功耗和低成本，且其可采用10nm工艺制造；另外，还可沿用现有的CMOS制造技术和工艺。因它是非易失性的，所以当电源掉电或彻底关闭时，STT-MRAM将能无限期地保存数据。

不同于万众瞩目的新秀RRAM，MRAM作为存储器件的基本物理原理已广为人知。

就MRAM来说，其存储单元由一个磁隧道结(MTJ)构成，多年来。MTJ一直被广泛用作硬盘驱动器的读出头。早期的MRAM器件利用平面内MTJ(iMTJ)，其中磁矩(具有幅度和方向的向量)平行于衬底的硅表面(图1)。


图1：内嵌式MTJ框图。

现在有了另一种、更优化的MTJ版本——垂直MTJ(pMTJ)，其磁矩垂直于硅衬底表面(图2)。


图2：垂直MTJ图。

虽然基于iMTJ的STT-MRAM用90nm以下工艺节点实现还不甚成熟，且在200mm晶圆也无成本竞争力，但基于pMTJ的STT-MRAM在可制造性方面展现出极大优势，可延伸至10nm以下工艺实现。在成本方面，它有望与诸如DRAM等其它存储器技术一争高下。在未来几年，由于STT-MRAM的这种可扩展性，它将在低和中密度应用中替代DRAM和闪存。

STT-MRAM制造

在典型的STT-MRAM整合工艺中，MTJ夹在两个金属层之间所以需要两个额外掩膜。而早期的工艺依赖为硬盘驱动器(HDD)工业设计的工具，近年来，半导体制造行业内的大型设备工具厂商一直在开发300mm晶圆生产所需的关键的沉积和蚀刻工具。因此，现在以40nm以下工艺制造大容量300mm STT-MRAM晶圆的生态系统业已就位。

STT-MRAM的一个关键特殊是它使用标准的CMOS晶体管，而且MTJ处理是在生产线后端(BEOL)完成的。这使得制造过程是无缝的，因此同时适用于离散式和嵌入式两种应用的大容量、低成本生产。

应用

作为一种独立的存储器件，基于其更高速度、更低延迟、可扩展性和无限使用寿命等特性，STT-MRAM被用于取代SRAM、DRAM和NOR闪存。STT-MRAM不像DRAM那样需要功率刷新，且其读出过程是不破坏所存数据的。在系统级，这些特性提供了显著的功耗优势及更低延迟。

当今，许多的SoC、CPU和GPU内，50%至80%的芯片面积被存储器占用。这种嵌入式存储器大多趋向于使用四或六个晶体管的SRAM。与其相比，STT-MRAM使用一个晶体管。为节省芯片空间，最新的CPU也在整合进e-DRAM，尽管其工艺实现非常困难。因STT-MRAM可采用标准CMOS实现，所以可轻松实施整合，故而非常适合这类应用。

STT-MRAM显著减小了芯片尺寸，同时提供了接近逻辑处理速度的高速NVM。可以预期，该技术可提供更低成本、更快启动时间、以及一系列新功能，故特别适用于移动和存储设备应用。

企业存储是基于pMTJ的STT-MRAM的主要应用场合。存储阵列和数据中心正处于从旧的传统硬盘驱动器系统到基于全硅(固态硬盘，SSD)的闪存系统的巨大变革中。同时，软件定义数据中心、网络和存储在与虚拟化结合起来，在未来几年，将继续使整个数据存储领域脱胎换骨。