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來(lái)源：中科院之聲 一、SRAM、DRAM，以及Flash 存儲器是電子系統的重要組成部分。當前，絕大多數電子系統均采用寄存、主存加硬盤(pán)的存儲體系結構（如圖1（a）），與之相對應，靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）、動(dòng)態(tài)隨機存儲器（DRAM）、閃存（Flash）或硬盤(pán)（HDD）成為實(shí)現這三種存儲體系的傳統存儲技術(shù)。然而，隨著(zhù)信息和納米加工技術(shù)高速發(fā)展，基于傳統存儲體系構建的電子系統正面臨著(zhù)巨大的挑戰。一方面新興的移動(dòng)計算、云計算等和數據中心對數據一致性提出極高要求，傳統的緩存及主存一旦斷電，關(guān)鍵數據就會(huì )發(fā)生丟失。因此，數據必須不斷備份到閃存或硬盤(pán)上，該過(guò)程嚴重影響了訪(fǎng)存性能。另一方面大型數據中心的能耗不斷攀升，基于電池技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)設備也因功耗及待機問(wèn)題被人詬病。以上諸多挑戰需要新的器件、架構設計等技術(shù)加以解決。 
圖1 傳統存儲體系結構（a），新型“萬(wàn)能存儲器”存儲體系結構（b） 二、STT-MRAM：“萬(wàn)能存儲器” 傳統存儲器的技術(shù)局限以及不斷縮小的制造尺寸所帶來(lái)的巨大挑戰促使科研人員開(kāi)始尋找新一代存儲器件，它應具有接近靜態(tài)存儲器的納秒級讀寫(xiě)速度，具有動(dòng)態(tài)存儲器甚至閃存級別的集成密度和類(lèi)似Flash的非易失性存儲特性�！叭f(wàn)能存儲器”概念作為新一代存儲器的要求被提出來(lái)（如圖1（b））。自旋轉移矩—磁隨機存儲器器件（Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory：STT-MRAM）就是一種接近“萬(wàn)能存儲器”要求的極具應用潛力的下一代新型存儲器解決方案。 類(lèi)比地球的公轉與自轉，微觀(guān)世界的電子同時(shí)具有圍繞原子核的“公轉”軌道運動(dòng)（電荷屬性）、電子內稟運動(dòng)（自旋屬性）。STT-MRAM就是一種可以同時(shí)操縱電子電荷屬性及自旋屬性的存儲器件。1988年，法國阿爾貝·費爾和德國彼得·格林貝格研究員通過(guò)操縱電子自旋屬性實(shí)現了基于電子自旋效應的磁盤(pán)讀頭，使磁盤(pán)容量在20年間從幾十兆比特（MB）暴增到幾太比特（TB）。他們因此獲得2007年的諾貝爾物理獎。 在讀操作方面，磁隨機存儲器一般基于隧穿磁阻效應，在鐵磁層1/絕緣層/鐵磁層2三層結構中，當兩層鐵磁層磁化方向相同時(shí)，器件呈現“低電阻狀態(tài)”，當兩層鐵磁層磁化方向相反時(shí)，器件呈現“高電阻狀態(tài)”，且兩個(gè)狀態(tài)可以相互轉化（如圖2）；在寫(xiě)操作方面，基于自旋轉移矩效應，器件處于高阻態(tài)時(shí)，通自上而下的電流，反射的自旋多態(tài)電子會(huì )翻轉易翻轉層磁化方向，器件由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)；器件處于低阻態(tài)時(shí)，通自下而上的電流，隧穿的自旋多態(tài)電子會(huì )翻轉易翻轉層磁化方向，器件由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)。自旋轉移矩效應已被驗證可實(shí)現1納秒以下的寫(xiě)操作。
圖2 TMR效應(a)、STT-MRAM單元原理圖（b）、低態(tài)寫(xiě)高態(tài)（c）、高態(tài)寫(xiě)低態(tài)（d） STT-MRAM不僅接近“萬(wàn)能存儲器”的性能，同時(shí)由于其數據以磁狀態(tài)存儲，具有天然的抗輻照、高可靠性以及幾乎無(wú)限次的讀寫(xiě)次數，已被美日韓等國列為最具應用前景的下一代存儲器之一。美國Everspin、Honeywell公司已經(jīng)推出了其MRAM存儲器芯片產(chǎn)品，并被大量用于高可靠性應用領(lǐng)域。美國IBM、Qualcomm，日本Toshiba都已開(kāi)發(fā)出其大容量STT-MRAM測試芯片。韓國Samsung、SK Hynix均宣布具備了STT-MRAM的生產(chǎn)能力。美日韓等國很有可能在繼硬盤(pán)、DRAM及Flash等存儲芯片之后再次實(shí)現對我國100%的壟斷�？紤]到STT-MRAM采用了大量的新材料、新結構、新工藝，加工制備難度極大，現階段其基本原理還不夠完善，發(fā)明專(zhuān)利分散在各研究機構、公司中，專(zhuān)利封鎖還未完全形成，正是國內發(fā)展該項技術(shù)的最好時(shí)機。 三、國內首個(gè)80納米STT-MRAM制備 近日，中科院微電子所集成電路先導工藝研發(fā)中心趙超研究員與北京航空航天大學(xué)趙巍勝教授的聯(lián)合團隊經(jīng)過(guò)3年的攻關(guān)，成功制備國內首個(gè)80納米自旋轉移矩—磁隨機存儲器器件（STT-MRAM）。 在北京市科委的大力支持下，中科院微電子所與北京航空航天大學(xué)的聯(lián)合研發(fā)團隊經(jīng)過(guò)科研攻關(guān)，在STT-MRAM關(guān)鍵工藝技術(shù)研究上實(shí)現了重要突破，在國內率先采用與傳統CMOS工藝兼容的工藝方法和流程，成功制備出直徑為80納米的磁隧道結，器件性能良好，其中，器件核心參數包括隧穿磁阻效應達到92%，可實(shí)現純電流翻轉且電流密度達到國際領(lǐng)先水平。 |
