MRAM.docx

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MRAM

MRAM

MRAM（MagneticRandomAccessMemory）是一种非挥发性的磁性随机存储器。

它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

MRAM是在80年代初首次提出的。

在1994年，美国Honeywell公司研发了一种使用巨磁阻（GiantMagnetoResistive，GMR）薄膜技术的MRAM，并投入了生产。

不过，由于它的读取写入时间过长并且集成度低，所以应用只局限于太空和军事领域。

近年来，MRAM再度发展起来，并以取代DRAM装置为目标。

DRAM的原理

你是否很久以来都认为开机之后看着Windows进度条一次次滚过，尔后登录、打开桌面这样的过程是理所当然？

之所以每次开机时操作系统都需要重新做一遍内存初始化的操作，是因为现在普遍使用的内存都采用的是动态随机存取技术（DRAM）的内存，像SDRAM、DDR和DDRII都属于这种内存。

使用了DRAM技术的内存的一个重要特点就是它们属于挥发性内存（volatilememory），也就是说一旦断电，它里面的数据就会消失。

换句话说，DRAM内存里面的数据之所以能够存在，实际上是依靠不断供电来刷新才得以保持的。

所以，操作系统在每次开机的时刻，总需要把一系列系统本身要使用的数据再次写入内存，这就是开机等待时间里操作系统完成的工作。

对于DRAM内存来说，如果要免除这个过程，供内存刷新的电力是不能断的。

所谓的休眠（sleep），实际上计算机还在继续耗电，只不过是比正常运行时少一些罢了。

然而，东芝集团近日在美国佛罗里达州的坦帕市（Tampa）却向公众展示了一种新型内存——磁阻内存（MagnetoresistiveRandomAccessMemory，MRAM），它的出现将使得这种情况成为过去。

MRAM之所以具有这样的性能，是由于与传统的RAM不同，它是靠磁场极化的形式，而不是靠电荷的形式来保存数据的。

MRAM的存储单元的结构如图2所示，它由三个层面构成，最上面的成为自由层，中间的是隧道栅层，下面的是固定层。

自由层的磁场极化方向是可以改变的，而固定层的磁场方向固定不变。

当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；当磁场方向相反时，呈现高电阻。

MRAM通过检测存储单元电阻的高低，来判断所存储的数据是0还是1。

[1]

　图3更加清楚地展示了MRAM存储单元的结构和读写方法。

图中下方左侧是一个晶体管，当它导通时，电流可流过存储单元MTJ（磁性隧道结），通过与参考值进行比较，判断存储单元阻值的高低，从而读出所存储的数据。

当晶体管关断时，电流可流过编程线1和编程线2（图中Writeine1和WriteLine2），在它们所产生的编程磁场的共同作用下，使自由层的磁场方向发生改变，从而完成编程的操作。

实现MRAM可靠存储的一个主要障碍是较高的位干扰率。

对目标存储单元进行编程时，非目标单元中的自由层可能会被误编程。

目前研究人员已经成功解决了此问题。

写入线1和写入线2上的脉冲电流产生旋转磁场，只有它们共同作用的单元才会发生磁化极性的改变，从而不会干扰相同行或列的其它位单元。

　　要进一步隔离非目标单元，使其不受干扰，飞思卡尔半导体还使用镀层包裹内部铜线的三个侧面。

此镀层将磁场强度引向并集中到目标单元。

这使得可以使用低得多的电流进行编程，并隔离磁场周边的通常会遭到干扰的单元。

　　大批量生产MRAM设备的另一个难题是由于极薄的AlOx隧道结。

AlOx结厚度上的微小变化都会导致位单元电阻的很大改变。

如今的半导体技术已经解决了这一问题，从而实现了在整个晶圆表面上以及整个批量上，都能产生一致的隧道结。

磁阻内存的前世今生

　磁阻内存的概念几乎是和磁盘记录技术同时被提出来的。

但是众所周知，内存读写的速度需要达到磁盘读写的速度的100万倍，所以不能直接使用磁盘记录技术来生产内存。

磁阻内存的设计看起来并不复杂，但是对材料的要求比较高。

磁致电阻现象虽然150年前就由英国科学家威廉•汤姆森（WilliamsThomson）发现，但是对于一般的材料而言，它是比较微弱的一种效应。

也就是说，由于磁场变化带来的电阻变化并不显著，在电阻变化小于40%的时候，用三极管很难判断出来本来就很微小的电流变化。

　不过，最近的材料和工艺的进步使得该技术有了突破性的进展，1995年摩托罗拉公司（后来芯片部门独立成为飞思卡尔半导体）演示了第一个MRAM芯片，并生产出了1MB的芯片原型。

　2007年，磁记录产业巨头IBM公司和TDK公司合作开发新一代MRAM，使用了一种称为自旋扭矩转换（spin-torque-transfer,STT）的新型技术，利用放大了的隧道效应（tunneleffect），使得磁致电阻的变化达到了1倍左右。

而此次东芝展出的芯片也正是利用了STT技术，只是进一步地降低了芯片面积，在一枚邮票见方的芯片上做出了1GB内存，这也使得世界看到了磁阻内存的威力——它的记录密度是DRAM的成百上千倍，速度却比所有现有的内存技术都要快。

大密度、快访问、极省电、可复用和不易失是磁阻内存的五大优点，这使它在各个方面都大大超过了现有的甚至正在研发的存储技术——闪存太慢、SRAM和DRAM易挥发、铁电存储可重写次数有限、晶相存储不易控制温度……MRAM可以说是集各个技术的优点于一身的高质量产品。

目前，MRAM已经在通信、军事、数码产品上有了一定的应用。

2008年，日本的SpriteSat卫星就宣布使用飞思卡尔半导体公司生产的MRAM替换其所有的闪存元件。

预计在今后的一、两年里，它就能够实现量产，我们在打开计算机时，也就不再需要等待了。

[2]

MRAM的性能优势

根据美国专业半导体研究机构EDN分析，如果将MRAM、DRAM、SRAM、FLASH等内存做比较，在“非挥发性”特色上，目前仅有MRAM及FLASH具此功能；而在“随机存取”功能上，则FLASH欠缺此项功能，仅MRAM、DRAM、SRAM具备随机存取优点。

就“读取速度”而言，MRAM及SRAM的速度最快，同为25～100ns，不过，MRAM仍比SRAM快；DRAM则为50～100ns，属于中级速度；相较之下，FLASH的速度最慢。

在写入次数上，MRAM、DRAM以及SRAM则都属同一等级，约可写入无限次的记忆，而FLASH则只约可写入106次。

至于“芯片面积”的比较，MRAM与FLASH同属小规格的芯片，所占空间最小；DRAM的芯片面积则是属于中等规格，SRAM更是属于大面积规格的芯片，其所占的空间最大。

在嵌入式设计规格方面，DRAM、SRAM、FLASH同属良率低、须增加芯片面积设计规格；而MRAM则是拥有性能高、不须增加芯片面积的特殊设计。

最后在耗电量相比较，只有MRAM以及SRAM拥有低耗电的优点，FLASH则是属于中级的耗电需求，至于DRAM更是具有高耗电量的缺点。

MRAM的应用

MRAM足大多数手机、移动设备、膝上机、PC等数字产品的存储器的潜在替代产品。

从MRAM芯片技术的特性上来看，可以预计它将能解决包括计算机或手机启动慢、数据丢失、数据装载缓慢、电池寿命短等问题，明显改变消费者使用电子没备的方式．

自旋电子时代的来临

在对半导体新技术的追求中,技术研发者中有一大批技术人员已经站到自旋电子（即“自旋态输运电子”的简称）的阵营中来并摇旗呐喊。

自旋电子学建立在电子两种自旋状态这一独特的基本特性的基础上。

电子具有质量,但它们的尺寸极小,接近于零,它们的“自旋”并非是绕空间某根轴的旋转,因为它们根本就没有轴或者其他空间的几何特征。

既然自旋是某种类型的运动,而运动的带电体会产生磁场,于是电子的自旋使得电子成为微型的磁偶极子,成为自然界的一种基本磁体。

自旋方向的确定可以通过电子的磁矩（N－S极对准的方向）的感测来实现。

自旋可以成为实现二进制编码的物质基础——“上旋”代表0,“下旋”可以代表1,而该技术的实现,就取决于能否廉价而有效地直接测量和操控电子自旋。

[3]

研究者正在自旋电子学方面取得进展。

他们已经用基于磁量子细胞自动机（magneticquantumcellularautomata,纳米级的磁体阵列）的NAND和NOR门研制出可工作的原型芯片。

基于磁学的逻辑电路,至少从原理上来说有望采用比基于晶体管的逻辑电路更简单的结构。

要实现一个双输入的AND门,需要6个晶体管,而同样功能的纳米电路只需将两条磁纳米线连接起来就行。

不过商业化的磁逻辑器件可能直到下一个十年才有可能推出。

要研制出实用化的、依靠控制基本粒子的量子态来进行工作的“量子计算机”就更加遥不可及。

不过,业界不需要等到下一个十年才去努力攫取自旋电子学的价值。

与以往重要的新的半导体技术总是引入内存技术的历史发展趋势一样,基于自旋电子学原理的内存芯片现在已经出现。

今年7月,FreescaleSemiconductor推出了全球第一个商用化的MRAM（磁,或磁致电阻式的,随机存取芯片）,MR2A16A仅是一个4Mb器件,但它是一个开端。

更大容量的MRAM芯片很快将会出现。

这种技术有望将快速的、非易失性的内存嵌入到微处理器、微控制器、ASIC和系统级芯片（SoC）器件。

MRAM的利弊

与SRAM类似的是,MRAM在读写方面都可以实现高速化,而且本身还具有极高的可靠性（磁体本质上是抗辐射的,因此MRAM本身可以免受软错误之害。

）而MRAM与DRAM类似之处,就在于它是高密度的,而且还具有读取无破坏性、无需消耗能量来进行刷新等优势。

（磁体不受电荷漏电之苦。

）MRAM与闪存的类似之处,就在于同样是非易失性的,它还具备了写入和读取速度相同的优点,并具有承受无限多次读－写循环的能力。

（在自由磁体层中来回切换的运动是电子的自旋,而电子本身永远不会磨损）。

另外一个吸引人的特色就是MRAM单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中,只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。

另外,因为MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中,将2~3层单元叠放起来是可以实现的,这样就可以在逻辑电路上方构造规模极大的内存阵列。

这样的可能性使我们可以预见到未来有望出现新型的、功能大大提升的单芯片系统这一美好前景。

由于可以取代DRAM、SRAM或者闪存,MRAM可以消除处理器－内存性能之间不断扩大的差距。

MRAM对于能支持线程数不断提高的多线程的处理器来说有很高的价值,因为它可以提供支持这些器件所必需的极大的带宽。

之所以这一高达500亿美元的市场置换（如果MRAM能取代所有其他的内存的话）还没有实现,是因为MRAM技术难以实现——至少难以通过一种实用化的、可靠的方式来实现。

一个拦路虎是对自由板进行写入（重新改变其对准方向）所需的功率很高,因此交叉点开关架构受到连带写入问题的困扰。

虽然只有所选中的位单元会承受由同时沿着字线和位线流动的电流引起的强烈的激励磁场,但沿着其中任一根线上分布的所有其他的位单元也会承受一半的切换功率,因此它们被“半选中”。

理论上,“半选中”的磁场作用并未强到足以重新改变这些单元对准方向的地步,因此这些位应该毫不受影响。

但在实践中,由于MRAM单元要构成大规模的阵列,在那些为数众多的“半选中”的单元中势必有可能有某一个单元的自由板要出现状态的随机翻转。

问题就在于,对写入线（字或位）线通电,可以降低这条线（位于其上方或下方）上的每个单元的切换势垒。

遗憾的是,在一个MRAM阵列中的自由板没有共同的、固定的切换阈值。

于是,“半选中”的单元数量越多,其中某个单元的状态接近自身阈值而出现翻转的机会就越大。

要避免这个问题,就需要对阵列的布局、内存单元的构造以及导线上的电流分布进行严格而一致性的控制,而这种控制的严格性和一致性的程度是难以实现的。

于是,可望实用化的交叉点阵列,只能用于实现没有什么吸引力的小规模的存储之中。

另外,交叉点阵列还会遇到不易扩展的问题。

在等比例缩小时,交叉点间的距离缩短,而相邻单元间的磁场的交叠就愈加严重,同样会由于邻近单元间相互影响而导致的错误的状态翻转。

于是,在实践中,交叉点阵列间的尺寸长度不能超过一定的限度,而当前的半导体集成电路则早已突破了这一尺寸极限值。

对于简单的铁磁性的三明治结构和基本的交叉阵列来说,上述弊病的解决之道是更为复杂的自旋电子结构。

一个将工作性大大提高的设计是“旋档切换开关（toggle-modeswitching）”,这也就是Freescale最近推出的4MbMRAM,MR2A16A所采用的结构。

作为第一种投入批量生产的MRAM产品,这款芯片值得仔细研究一番。

MRAM研究进展

MRAM研究目前主要有二个方向,一是提高传统的GMR或TMRMRAM的性能;二是发展新原理和新结构的MRAM,其中基于自旋转矩效应（spintransfertorques,STT）MRAM以及旋档切换开关（togglemodeswitching）型MRAM是主要的两类。

1高磁电阻比TMR材料

如前所述,MRAM要求TMR材料具有较高的磁电阻比。

高磁电阻比TMR材料,特别是室温下高磁电阻比TMR材料是人们追求的目标之一。

物理所韩秀峰课题组在这方面取得了一系列的成果。

2000年他们制备出室温磁电阻比为50%（42K为70%）的Co-Fe/Al-O/Co-Fe体系磁性隧道结,这是当时国际上最好水平。

2004年他们制备出42K磁电阻TMR高达20%的有机LB膜复合磁性隧道结;同一年他们还制备出42K磁电阻TMR为3000%~9050%的La1-xSrxMnO3半金属复合磁性隧道结;2006年他们制备出室温磁电阻比为80%（42K高于100%）目前最好水平的非晶金属Co60Fe20B20/Al-O/Co60Fe20B20体系磁性隧道结。

2自由层材料

MRAM通常采用CoFe及CoFe/NiFe等作为自由层材料。

2002年Sony公司在TMR组件的自由层中采用了CoFeB的非结晶膜[3],并宣布这样可以减少储存单元之间的存储、读取特性的失真。

读取特性方面,Sony表示使用CoFeB材料可以使相当于0和1的输出级别更加明确地为2个部分。

由于在自由层中采用了CoFeB,使得MR比值大幅度增大。

比如,薄膜的结构为（Co75Fe25）80B20/AlOx/CoFe/Ru/CoFe/PtMn,大小为06m12m的TMR组件的MR比在偏压为100mV时约为55%,在偏压为300mV时约为40%以上。

另一方面,关于储存特性,对相邻4个单元的星型线进行测试后发现,采用CoFeB作为自由层,膜厚为2nm~4nm时,可以降低交换层磁场的失真。

2004年美国NVE公司和日本ANELVA公司在磁化固定层和自由层上全都采用Co-Fe-B。

通过采用Co-Fe-B,提高了夹在磁化固定层自由层之间的绝缘膜（氧化铝）的亲和性。

他们称室温下磁阻率（MR比）高达70%,大幅提高MRAM读写的可靠性,而此前的磁阻率大约为50%。

3自旋转矩效应与流致反转

最初的MRAM都是用微电磁线圈产生电磁场,使自由层的磁矩方向反转来进行0、1数据的读写。

这种复杂的结构大大地制约了MRAM存贮单元的微型化进程,因此当时MRAM的存贮密度远远不及DRAM和SRAM。

后来科学家们想出了用自旋极化的电子流脉冲取代微电磁线圈的突破方案。

穿过微磁粒的自旋极化电子流脉冲具有确定的磁场方向,它的磁矩在这里被称为自旋转移力矩或简称自旋转矩,即前面提到的STT。

自旋极化电子流可以代替电磁线圈使微磁粒的磁场方向发生反转,因此这种方式也被称为流致反转。

STT可视为相反于巨磁阻的效应,显示的是电流通过多层膜结构后改变多层膜的磁化特性。

当具高密度的自旋极化（spinpolarized）电流通过铁磁金属,由于极化电子角动量的转移部份角动量至铁磁金属中的磁矩,因而产生力矩。

对于铁磁（F）/非铁磁（N）/铁磁（F）的多层膜系统,电流方向垂直膜面进行（currentperpendiculartoplane,CPP）。

铁磁层F1藉由形状异向性或外加场来保持磁化方向固定,而铁磁层F2则为自由层,两铁磁层间亦由非磁性金属层隔开。

自旋极化电流通过此多层膜结构所转移的力矩效应与电流流向有关:

当电子流由固定层F1流向自由层F2时,力矩倾向于将F2中磁矩转向于平行F1层之磁化方向;当电子流由自由层F2流向固定层F1时,力矩效应则倾向于使自由层的磁矩与固定层磁矩反向。

因此,在不需要外加翻转磁场的情况下,可藉由极化电流的传输而使固定层与自由层铁磁金属同向或反向极化。

Hans等人[3]的研究表明,通过精细地控制自旋极化电子流脉冲的形状和长度,在实验室中用STT-MRAM原型芯片使其纳米磁粒的反转时间达到了1ns接近了理论上的极限。

韩秀峰等人采用100nm尺度下的磁矩闭合型纳米环状磁性隧道结作为存储单元,用正负脉冲极化电流直接驱动比特层磁矩翻转的工作原理,解决了规MRAM相对功耗高、存储密度低等瓶颈问题。

该器件利用500~650A脉冲极化电流就可以直接驱动存储单元比特层的磁矩翻转进行写操作,并有望进一步优化和降低写操作电流,而读操作只需要10~20A的脉冲电流。

目前STT效应的研究已发展成磁学界一个重要的研究热点。

其重要之处在于,这一效应不仅在理论上提出了自旋电流调控薄膜磁矩的物理新理念,而且它可以用于发展电流直接调控的SST-MRAM。

SST-MRAM目前面临的主要问题是翻转电流过大。

至于如何降低翻转电流,还没有切实可行的办法,但许多研究者已经给出了建议和尝试。

4旋档切换开关结构

如前所述,对于简单的铁磁性的三明治结构和基本的交叉阵列来说,存在许多弊病,而解决之道是更为复杂的自旋电子结构。

世界著名的飞思卡尔TM半导体公司（FreescaleTMSemiconductor）最先提出旋档切换开关（togglemodeswitching）型MRAM的概念[5]。

在Freescale的器件中,自由的和固定的磁体层并不是单纯的铁磁板。

相反,它们是合成的反铁磁体（syntheticantiferromagnet,SAF）三明治结构,由2个反向对准的铁磁材料层以及两层材料之间所夹的一层非磁性材料耦合隔层而组成。

SAF三明治结构产生磁致电阻效应的能力并不会因为它的混合式结构而受到影响。

对准和反对准只取决于MTJ结构两侧相对的两层材料。

将两层板材组成SAF,就可以让每层板变成磁矩平衡净外磁场为0。

这避免了磁场交叠而导致的可扩展性的问题。

SAF对于附近的导线上流过的电流所产生的磁场所作出的响应迥异于简单的铁磁板三明治结构。

其磁轴总是试图与导线保持一定的角度回转。

这就使得以步进方式切换自由的SAF场（而不是以莽力颠倒其朝向）提供了可能。

这种步进旋档式切换不仅所需要的能量显著低于交叉点开关式的,而且可以完全取消前述的半选中单元出现连带写入这一难以解决的问题。

在这种方案中,半选中的单元仅旋转45,而远远不会切换到相反的对准方式的状态上。

正如所选中的单元在位线断电时会猛然回到最接近的稳态轴向上一样,半选中的单元在选中的线上所接通的电源被切断后会自然而然地快速切换到它们初始的朝向上。

此外,由单根线所产生的力起到了提高半选中单元的开关势垒的作用,而不是削弱这种势垒,因为一个所施加的力可以防止SAF单元在选择序列中作丝毫进一步的旋转。

旋档式切换的另一个显著的特征是,将一个1或0写入某个单元,对其行为特性并不会产生任何影响。

无论单元采用2个对准方向中的哪一个,施加一串相同的写入脉冲序列将使之旋转180到另一个对准方向。

这一特性的优点在于消除了采用双向位线的必要性。

不利之处就在于在对每一位存储进行写入前必须进行读出操作,以确定它目前的对准方向。

如果需要切换方向的话,这一复杂性就会使写入周期变慢,但它避免了将旋档动作一分为二的必要。

在一个交叉点阵列中,同样也没有必要用相同的量值来覆盖一个0或者1数据,但是,因为覆盖一个交叉点单元不会带来损害,因此在写入新的值之前无需确定单元内现有的值。

相比之下,对处于0或者1状态的单元进行旋档式操作始终会写入相反的值。

于是,旋档操作不能盲目进行,如果单元所储存的值与要写入的值一致,则根本就不会进行写入操作。

toggleMRAM目前吸引了很多研究者的注意,但对于这种结构的理解还远远不够。

比如这种器件的动力学开关特性,实验和理论还有差距。

在这方面,基于朗道利夫席茨吉尔伯特（LandauLifshitzGilbert,LLG）方程的微磁学模拟[6]可能是非常有帮助的

参考文献：

[1]HanXF,OoganeM,KubotaH,etal..FabricationofhighMRtunneljunctionsusingCo75Fe25ferromagneticelectrodes[J].Appl.Phys.Lett.,2000,77:

283-285.

[2]SlonczewskiJC.Currentdrivenexcitationofmagneticmultilayers[J].J.Magn.Magn.Mater.,1996,159:

L1-L7.

[3]OlariuCS,StoleriuL,StancuA.Simulationoftog-glemodeswitchinginMRAM'S[J].J.Optoelectr.Adv.Mater.,2007,9:

11401142

[3]DurlamM,etal..Alowpower1MbitMRAMbasedon1T1MTJbitcellintegratedwithCopperInterconnects[J].SymposiumonVLSICircuitDigestofTechnicalPapers,2002,pp.158-161

[4]SerranoGuisanS,RottK,ReissG,etal..Biasedquasiballisticspintorquemagnetizationreversal[J].Phys.Rev.Lett.,2008,101:

087201.

[5]OlariuCS,StoleriuL,StancuA.SimulationoftogglemodeswitchinginMRAM'S[J].J.Optoelectr.Adv.Mater.,2007,9:

11401142.

[6]WangSY,FujiwaraH,DouJ,etal..DynamicsimulationoftogglemodeMRAMoperatingfieldmargin[J].IEEETrans.Magn.,2007,43:

2337-2339.