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              STT-MRAM存储技术解析

              2018-03-09 11:08:08

              存储器是每一个计算机系统、存储方案和移动设备都必须使用的重要部件之一。存储器的性能、可扩展性,可靠性和成本是决定推向市场的每个系统产品经济上成败与否的主要标准。
               
              目前,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。现有的这些存储器具有非常大的优势,所以在过去30年一直占据市场主导地位。但由于系统始终在追求更小、更快、更可靠、更便宜的存储器,以便在未来五到十年间进行有力竞争,所以上述存储器的不足也给其未来发展带来未知的变化。
               
              最近有新的突破性技术强势进入市场,特别是电阻式RAM(RRAM)和相变RAM(PCRAM)等非易失性存储器(NVM),它们表示将提供低功耗、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。
               
              其实MRAM并不是新产品,早在25年以前,就已在行业会议上首次亮相。因其与基于电荷存储的存储器是截然不同的,当时曾轰动业界。现在,已经有几种不同类型的MRAM使用在不同的应用上,其中包括场开关和热辅助MRAM。所有这些技术都具有显着的优异特性,因此MRAM可用于各种不同的特殊应用。
               
              但自旋转移力矩(STT)MRAM非常适合许多主流应用,作为存储技术来说,它不但有DRAM和SRAM的高性能,而且具有闪存的低功耗和低成本,且其可采用10nm工艺制造;此外,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。


              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在可制造性方面展现出极大优势,可延伸至10nm以下工艺实现。在成本方面,它有望与诸如DRAM等其它存储器技术决一胜负。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

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