STT-MRAM存儲技術解析
2018-03-09 11:08:08
存儲器是每一個計算機系統、存儲方案和移動設備都必須使用的重要部件之一。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產品經濟上成敗與否的主要標準。
目前，幾乎所有產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有的這些存儲器具有非常大的優勢，所以在過去30年一直占據市場主導地位。但由于系統始終在追求更小、更快、更可靠、更便宜的存儲器，以便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發展帶來未知的變化。
最近有新的突破性技術強勢進入市場，特別是電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(PCRAM)等非易失性存儲器(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)也是這些新興技術之一。
其實MRAM并不是新產品，早在25年以前，就已在行業會議上首次亮相。因其與基于電荷存儲的存儲器是截然不同的，當時曾轟動業界。現在，已經有幾種不同類型的MRAM使用在不同的應用上，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異特性，因此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，作為存儲技術來說，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，還可沿用現有的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據。
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)。
圖1：內嵌式MTJ框圖。
圖2：垂直MTJ圖。
雖然基于iMTJ的STT-MRAM用90nm以下工藝節點實現還不甚成熟，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出極大優勢，可延伸至10nm以下工藝實現。在成本方面，它有望與諸如DRAM等其它存儲器技術決一勝負。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。
本文關鍵詞：
STT-MRAM
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