STT-MRAM存储技术详解

目前，市场上的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。这些存储器具有明显的优势，以至于在过去30年间一直都占居市场主导地位。但因为系统永远都在追求更快、更小、更可靠、更便宜的存储器，在未来五到十年间会产生激烈竞争，所以上述存储器的不足之处，也给其未来的发展增添了阻碍。

目前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)，它们能够提供低功耗、高性能、以及无限的使用寿命。磁RAM(MRAM)也是这些新兴技术之一。值得一提的是，MRAM并不是刚刚面市的，早在25年以前，就已经首次亮相。目前MRAM可用于各种不同的特殊应用。

然而自旋转移力矩(STT)MRAM非常适合许多主流应用，特别是作为存储技术，因为STT-MRAM既拥有DRAM和SRAM的高性能，又具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在可制造性方面表现出极大优势，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较高下。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。

本文 关键词：STT-MRAM  DRAM   SRAM

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