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作者：Avalanche Technology業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁 Michael Ofstedahl 存儲器是當今每一個(gè)計算機系統、存儲方案和移動(dòng)設備都使用的關(guān)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(chǎng)的每個(gè)系統產(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有的這些存儲器具有顯著(zhù)優(yōu)勢，導致其在過(guò)去30年占居市場(chǎng)主導地位。但因為系統始終在追求更快、更小、更可靠、更便宜，以在未來(lái)五到十年間進(jìn)行有力競爭，所以上述存儲器的不足，也給其未來(lái)蒙上陰影。 有新的突破性技術(shù)以挑戰者姿態(tài)進(jìn)入市場(chǎng)，特別是諸如電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(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(wú)限的使用壽命。磁RAM(MRAM)也是這些新興技術(shù)之一。 需要注意的是，MRAM并非初來(lái)乍到，其在25年以前，就已在行業(yè)會(huì )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(shí)曾令人激動(dòng)萬(wàn)分�，F在，已有幾種不同類(lèi)型的MRAM在應用，其中包括場(chǎng)開(kāi)關(guān)和熱輔助MRAM。所有這些技術(shù)都具有顯著(zhù)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(shù)，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，還可沿用現有的CMOS制造技術(shù)和工藝。因它是非易失性的，所以當電源掉電或徹底關(guān)閉時(shí)，STT-MRAM將能無(wú)限期地保存數據。 不同于萬(wàn)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(lái)說(shuō)，其存儲單元由一個(gè)磁隧道結(MTJ)構成，多年來(lái)。MTJ一直被廣泛用作硬盤(pán)驅動(dòng)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。 現在有了另一種、更優(yōu)化的MTJ版本——垂直MTJ(pMTJ)，其磁矩垂直于硅襯底表面(圖2)。
圖2：垂直MTJ圖。 雖然基于iMTJ的STT-MRAM用90nm以下工藝節點(diǎn)實(shí)現還不甚成熟，且在200mm晶圓也無(wú)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(yōu)勢，可延伸至10nm以下工藝實(shí)現。在成本方面，它有望與諸如DRAM等其它存儲器技術(shù)一爭高下。在未來(lái)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(gè)金屬層之間所以需要兩個(gè)額外掩膜。而早期的工藝依賴(lài)為硬盤(pán)驅動(dòng)器(HDD)工業(yè)設計的工具，近年來(lái)，半導體制造行業(yè)內的大型設備工具廠(chǎng)商一直在開(kāi)發(fā)300mm晶圓生產(chǎn)所需的關(guān)鍵的沉積和蝕刻工具。因此，現在以40nm以下工藝制造大容量300mm STT-MRAM晶圓的生態(tài)系統業(yè)已就位。 STT-MRAM的一個(gè)關(guān)鍵特殊是它使用標準的CMOS晶體管，而且MTJ處理是在生產(chǎn)線(xiàn)后端(BEOL)完成的。這使得制造過(guò)程是無(wú)縫的，因此同時(shí)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(wú)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(guò)程是不破壞所存數據的。在系統級，這些特性提供了顯著(zhù)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(gè)晶體管的SRAM。與其相比，STT-MRAM使用一個(gè)晶體管。為節省芯片空間，最新的CPU也在整合進(jìn)e-DRAM，盡管其工藝實(shí)現非常困難。因STT-MRAM可采用標準CMOS實(shí)現，所以可輕松實(shí)施整合，故而非常適合這類(lèi)應用。 STT-MRAM顯著(zhù)減小了芯片尺寸，同時(shí)提供了接近邏輯處理速度的高速NVM�？梢灶A期，該技術(shù)可提供更低成本、更快啟動(dòng)時(shí)間、以及一系列新功能，故特別適用于移動(dòng)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(chǎng)合。存儲陣列和數據中心正處于從舊的傳統硬盤(pán)驅動(dòng)器系統到基于全硅(固態(tài)硬盤(pán)，SSD)的閃存系統的巨大變革中。同時(shí)，軟件定義數據中心、網(wǎng)絡(luò )和存儲在與虛擬化結合起來(lái)，在未來(lái)幾年，將繼續使整個(gè)數據存儲領(lǐng)域脫胎換骨。 |
