八月初，包括博覽會在內的年度存儲盛會FMS在美國圣克拉拉會議中心舉行。許多業(yè)界領先的存儲巨頭展示了他們的最新產品，也分享了未來的看法和觀點。在TechInsights對于會議總結的十個和存儲芯片有關的重要的結論中[1]，一條關于新型存儲的結論引起關注：磁性隨機存儲器（MRAM）在嵌入式設備中越來越普遍。

? 上述結論可以看出業(yè)界巨頭對于MRAM在目前展現出的增長勢頭的肯定以及對于未來使用前景的正面預測。事實上不僅是停留在形勢分析上，各大芯片廠商對于MRAM的布局，研發(fā)以及生產都在如火如荼地展開。在semianalysis重建的存儲產品歷史時間線中[2]，MRAM被超過十次的密集提到，次數甚至超過其余新型存儲技術的總和。在2019年，所有領先的晶圓代工廠都在生產嵌入式MRAM（eMRAM）。這些都表明各大芯片廠商對于MRAM的信心。

? 本文旨在討論各種MRAM的技術路徑，其中包括磁場驅動型、自旋轉移扭矩（spin-transfer torque：STT）、自旋軌道扭矩（spin-orbit torque：SOT）、電壓控制磁各向異性（Voltage controlled magnetic annisotropy：VCMA）MRAM的挑戰(zhàn)和前景。 ? ?

01?磁性隨機存儲器(MRAM)

如今，存儲器產業(yè)已經趨于成熟，動態(tài)隨機存儲器(Dynamic Random Access Memory，DRAM)，和Flash存儲器兩者分別占據了存儲器商業(yè)化市場58%和41%的份額。靜態(tài)隨機存儲器(Static Random Access Memory，SRAM)具備高速讀寫速度，并且其對數據保存的功耗要求很低。然而，由于它的大單元尺寸(一個典型的SRAM存儲單元需要6個晶體管)限制了它的高密度存儲的應用場景，因此常常應用在只對速度要求高而對容量要求不苛刻的高速緩存中。

DRAM因其較為簡單的存儲單元構成(一個典型DRAM存儲單元僅需要一個晶體管和一個存儲電容)，因此提供了比SRAM更密集的存儲架構，但伴隨著嵌入式過程的復雜性，同時，由于存儲電容存在電荷泄露問題，DRAM必須在規(guī)定時間間隔內刷新電容器以保持數據的有效性，因此不具備非易失性，同時伴隨著高功耗的困擾。與SRAM和DRAM相比，閃存Flash最大的優(yōu)勢是提供了非易失性的大容量數據存儲，斷電后數據信息可以維持。Flash具有較高的密度，但是其讀寫速度較慢，寫耐久性有限，同時還需要復雜的電容器制造工藝，因此往往用作有大容量存儲需求，但對速度要求不高的硬盤等存儲設備。

? 為了解決這些傳統(tǒng)存儲器的缺陷，多種新型存儲器被提出。這些新型存儲器包括：阻變隨機存儲器（RRAM），磁阻隨機存儲器（MRAM），鐵電隨機存儲器（FRAM），相變隨機存儲器（PCM）。圖1列出了幾種存儲器的參數指標，其中MRAM與其他存儲技術相比，以具有高密度、高性能、幾乎零待機功率和優(yōu)異耐久性的優(yōu)勢被認為是新興存儲技術中最有前途的候選技術之一。 ?

圖1：MRAM與其他存儲器性能的對比圖。其中綠色、紅色和黃色分別表示相應存儲技術的理想、不理想和中間性能。 ?

磁隨機存儲器記錄數據是利用磁性隧道結（MTJ）的磁化特性。由外場、電流或電壓驅動使得自由層中磁矩的方向發(fā)生翻轉，變成與參考層中磁矩方向相反或平行，形成高低阻態(tài)，實現二進制中的“1”和“0”態(tài)來存儲數據，讀時可以測量隧道結的電阻值來獲取信息。通過外磁場實現自由層中磁矩翻轉的為第一代MRAM，叫做磁場的驅動型MRAM；通過通入垂直于隧道結的電流使得磁矩發(fā)生翻轉的為第二代MRAM，叫自旋轉移矩MRAM（STT-MRAM）；第三代MRAM技術分為兩種，分別為通過在重金屬層中通入面內電流使得磁矩發(fā)生翻轉的叫自旋軌道矩MRAM（SOT-MRAM）和通過施加電壓改變磁各向異性使得磁矩發(fā)生翻轉的叫做壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）。 ? ?

02?磁性隧道結（MTJ）

MRAM信息的讀取是基于隧穿磁電阻效應（Tunneling Magnetoresistance effect, TMR）。TMR是源于磁隧道結中（Magnetic Tunnel Junction, MTJ）兩層鐵磁層的磁化強度方向的相對變化，如圖2所示：其中一個鐵磁層作為參考，其磁化強度固定在一個方向；另外一個鐵磁層作為自由層，其磁矩可以在平行于參考層方向也可以在反平行于參考層方向。

當參考層和自由層的磁化強度平行排列時，電子隧穿幾率最大，TMR較低，MTJ處于低阻態(tài)，其電阻為“1”態(tài)；當參考層和自由層的磁化強度反平行排列時，電子隧穿幾率最小，TMR較高，MTJ處于高阻態(tài)，其電阻為“0”態(tài)。為了實現數據的“1”、“0”的二進制存儲，MTJ 成為了任何MRAM的必不可少的基本組成部分。 ?

圖2 磁性隧道結(MTJ)的基本結構 ? ?

03?第一代MRAM

磁場驅動型MRAM

第一代MRAM是利用電流產生的磁場對MTJ中自由層的磁矩進行翻轉，進而實現信息的寫入。因為這類MRAM的信息寫入是靠磁場來實現的，所以這類MRAM又叫做磁場驅動型MRAM。如圖3所示，每一個信息存儲單元上、下各有一條寫入導線，兩條導線相互垂直。在寫入時，向兩根導線內通入電流，當通電導線相交的地方（圖4）的磁場場足夠大時，就可以將MTJ中自由層的磁矩翻轉，進而改變MTJ的電阻狀態(tài)實現信息的寫入[3]。

但是對于磁場驅動型MRAM卻存在眾多缺點：首先，需要很大的電流產生足夠大的磁場來翻轉MTJ中自由層的磁矩。在這種情況下，如果進一步增加存儲密度，就會導致所需要的電流密度增加，使得信息寫入效率降低。其次，當存儲單元的尺寸縮小時，在對一個存儲單元進行信息寫入時會導致相鄰的存儲單元也會感應到磁場的作用，導致信息的錯誤寫入或信息存儲的不穩(wěn)定。為了解決這些問題，第二代基于自旋轉移矩驅動的MRAM 應運而生。 ?

圖3 磁場驅動型MRAM的器件示意圖 ?

圖4 磁場驅動型MRAM陣列的俯視圖，突出顯示中心的全選位(紅色)和沿載流寫入線的1/2選位(藍色)。在磁場驅動型MRAM中，所有位相對于寫線的方向是45°。摘自[3]。 ? ?

04?第二代MRAM

STT-MRAM

自旋轉移矩磁隨機存儲器是利用自旋轉移矩效應設計的器件，具有耗能少、高密度、非易失性、可擴展性、兼容性、持久性等優(yōu)點，因而成為第二代MRAM。相比于第一代MRAM，STT-MRAM減少了字線，大大降低了制作存儲器的難度（圖5）。在STT-MRAM 中，電流流經MTJ中的參考層時，會使得電子的自旋方向沿一個方向極化進而產生自旋極化電流，然后自旋極化電流通過MTJ的自由層時，會將自身的自旋角動量轉移給自由層的電子，轉移的角動量以力矩的形式表現出來，即自旋轉移矩（Spin transfer torque, STT），并作用在自由層磁矩上，如果自旋角動量足夠大時就可以實現自由層磁矩方向的翻轉。

STT-MRAM是一種由電流驅動磁矩翻轉的器件，減少了由磁場驅動磁矩翻轉而帶來的諸多麻煩。在讀取信息時STT-MRAM需要的電流較小。隨著存儲器件越來越小，對磁隧道結的尺寸要求越來越苛刻，當隧道結小到納米量級時，磁場驅動型MRAM由于邊緣效應的增大會需要更大的磁場來驅動磁矩的翻轉，但對于STT-MRAM驅動磁矩翻轉所需的電流卻會隨隧道結的減小而減小。

雖然 STT-MRAM 和磁場驅動型MRAM相比優(yōu)勢很多，但其仍存在缺陷。STT作用由于存在初始延遲現象，降低了磁矩的翻轉速度，要想取得高速翻轉，可以減小自由層厚度或者增大通入隧道結的電流，但電流的增大會破壞隧道結中的勢壘層。為了提高存儲速度，研究者采用了不同的辦法和途徑，基于兩種不同技術的第三代MRAM也出現在人們的視線中。 ?

圖5 基于垂直型STT-MRAM的器件示意圖 ? ?

05?第三代MRAM

SOT-MRAM

相比于STT-MRAM的兩端式讀/寫方法，SOT-MRAM采用的是三端式讀/寫方法：兩個寫入端和一個讀取端，如圖6所示。其中讀取路徑和寫入路徑是相互獨立且相互垂直的，寫入的時候電流不通過勢壘層，讀的時候電流通過勢壘層，這樣大大降低了電流對隧道結中勢壘層的破壞。讀寫互不干擾且可以分別對寫入路徑和讀取路徑進行優(yōu)化，實現更小、更快、更高效、更穩(wěn)定的存儲。對于SOT-MRAM而言，其信息的讀取主要靠的還是MTJ，SOT-MRAM信息的寫入端是由一層重金屬層構成，重金屬層與MTJ中的自由層相接觸。重金屬因為其原子序數較大，所以其自旋軌道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）作用也較強，可以將通入其中的電荷流轉換為純的自旋流并注入到MTJ的自由層中，對磁矩或者磁疇壁施加自旋軌道矩的作用實現磁矩翻轉完成信息的寫入。 ?

SOT-MRAM仍然存在一個主要缺點：面積消耗。具有柱狀結構的 STT-MRAM是一種兩端器件，但SOT-MRAM是一種三端器件—將兩個晶體管合并到一個單元中和一個相對較大的選擇器晶體管（以適應寫入所需的相對較大的電流需要）。 ?

圖6 基于垂直型SOT-MRAM的器件示意圖 ? ?

06?第三代MRAM

MeRAM

壓控磁各向異性MRAM（VCMA-MRAM或MeRAM）被認為是另一種第三代MRAM。如圖7,STT-MRAM和MeRAM使用相似的器件結構和數據存儲機制，但是他們的狀態(tài)翻轉方式天差地別。STT-MRAM存儲單元的寫入是通過電流執(zhí)行的，而MeRAM使用電場進行寫入操作——這大大降低了能耗。將自由層從平行狀態(tài)切換到反平行狀態(tài)（反之亦然）需要兩個基本組件：一個電壓（穿過隧道勢壘）以消除能量勢壘，以及一個外部面內用于磁矩翻轉的磁場。

? MeRAM在近年來的MRAM研究中具有重要的吸引力。一方面，作為一種寫入機制，其功耗比所有其他新型存儲技術低幾個數量級（降到飛焦/比特）。另一方面，MeRAM通過降低MTJ兩種磁化狀態(tài)之間的能量勢壘，實現了媲美SOT-MRAM的寫入速度（幾百皮秒），比STT-MRAM快一個數量級以上。此外，由于不需要電流，勢壘層可以比STT/SOT-MRAM做得更厚，以抑制寫入能量和勢壘層的破壞，所以耐久性會非常高。電壓驅動機制還帶來了其他優(yōu)點，如高密度，由于數據寫入操作所需的驅動電流密度降低，可以減少接入晶體管的尺寸。MeRAM融合了低功耗、高速、高密度等優(yōu)點，有望成為新型存儲器中黑馬。 ?

圖7 基于垂直型MeRAM的器件示意圖 ? ?

參考資料 [1]https://www.techinsights.com/blog/review-and-things-know-flash-memory-summit-2022 [2]https://semianalysis.com/the-history-and-timeline-of-flash-memory/ [3]?kerman, Johan. "Toward a universal memory."?science 308.5721 (2005): 508-510. ? ?

編輯：黃飛

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