1、存儲新介質:SST-MRAM技術詳解存儲器是當今每一個計算機系統(tǒng)、存儲方案和移動設備都使用的關鍵部件之一。存儲器的性能、可擴展性，可靠性和成本是決定推向市場的每個系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)濟上成功或失敗的主要標準。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的易失性存儲器DRAM和SRAM，以及非易失性存儲器NOR和NAND閃存?，F(xiàn)有的這些存儲器具有顯著優(yōu)勢，導致其在過去30年占居市場主導地位。但因為系統(tǒng)始終在追求更快、更小、更可靠、更便宜，以在未來五到十年間進行有力競爭，所以上述存儲器的不足，也給其未來蒙上陰影。有新的突破性技術以挑戰(zhàn)者姿態(tài)進入市場，特別是諸如電阻式RAM(RRAM)和相變RAM

2、(PCRAM)等非易失性存儲器(NVM),它們承諾提供高性能、低功耗、以及無限的使用壽命。磁RAM(MRAM)也是這些新興技術之一。需要注意的是，MRAM并非初來乍到，其在25年以前，就已在行業(yè)會議上首次亮相。因其與基于電荷存儲的存儲器是如此迥然不同，當時曾令人激動萬分?，F(xiàn)在，已有幾種不同類型的MRAM在應用其中包括場開關和熱輔助MRAM。所有這些技術都具有顯著的優(yōu)異特性，從而使MRAM可用于各種不同的特殊應用。但自旋轉移力矩(STT)MRAM非常適合許多主流應用，特別是作為存儲技術，因為它既有DRAM和SRAM的高性能，又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

3、的CMOS制造技術和工藝。因它是非易失性的，所以當電源掉電或徹底關閉時，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(MTJ)構成，多年來。MTJ一直被廣泛用作硬盤驅動器的讀出頭。早期的MRAM器件利用平面內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)。I1俚圖1：內嵌式MTJ框圖。I1俚圖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

4、性方面展現(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等其它存儲器技術一爭高下。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。STT-MRAM制造在典型的STT-MRAM整合工藝中，MTJ夾在兩個金屬層之間所以需要兩個額外掩膜。而早期的工藝依賴為硬盤驅動器(HDD)工業(yè)設計的工具，近年來，半導體制造行業(yè)內的大型設備工具廠商一直在開發(fā)300mm晶圓生產(chǎn)所需的關鍵的沉積和蝕刻工具。因此，現(xiàn)在以40nm以下工藝制造大容量300mmSTT-MRAM晶圓的生態(tài)系統(tǒng)業(yè)已就位。STT-MRAM的一個關鍵特殊是它使用標準的CMOS晶體管

5、，而且MTJ處理是在生產(chǎn)線后端(BEOL)完成的。這使得制造過程是無縫的，因此同時適用于離散式和嵌入式兩種應用的大容量、低成本生產(chǎn)。應用作為一種獨立的存儲器件，基于其更高速度、更低延遲、可擴展性和無限使用壽命等特性，STT-MRAM被用于取代SRAM、DRAM和NOR閃存。STT-MRAM不像DRAM那樣需要功率刷新，且其讀出過程是不破壞所存數(shù)據(jù)的。在系統(tǒng)級，這些特性提供了顯著的功耗優(yōu)勢及更低延遲。當今，許多的SoC、CPU和GPU內，50%至80%的芯片面積被存儲器占用。這種嵌入式存儲器大多趨向于使用四或六個晶體管的SRAM。與其相比，STT-MRAM使用一個晶體管。為節(jié)省芯片空間，最新的CPU也在整合進e-DRAM，盡管其工藝實現(xiàn)非常困難。因STT-MRAM可采用標準CMOS實現(xiàn)，所以可輕松實施整合，故而非常適合這類應用。STT-MRAM顯著減小了芯片尺寸，同時提供了接近邏輯處理速度的高速NVM?？梢灶A期，該技術可提供更低成本、更快啟動時間、以及一系列新功能，故特別適用于移動和存儲設備應用。企業(yè)存儲是基于pMTJ的STT-MRAM的主要應用場合。存儲陣列和數(shù)據(jù)中心正處于從舊的傳統(tǒng)硬盤驅動器系統(tǒng)到基于全硅（固態(tài)硬盤