存储器的新星：MRAM

文/严凌宇

存储器的新星：MRAM

文/严凌宇

MRAM是大多数手机、移动设备、笔记本电脑、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，可以明显改变消费者使用电子设备的方式。

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开始着重研究自旋电子(即“自旋态输运电子”的简称)。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。

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。

MRAM(Magnetic Random Access Memor y) 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 20世纪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（ Giant Magneto Resistive，GMR）薄膜技术的 MRAM，并投入了生产。近年来， MRAM再度发展起来，并以取代DRAM装置为目标。

MRAM 之所以与传统的 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 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。

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，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。

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(tunnel effect)，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，M R A M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。预计在不久的将来，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。

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。

图 MRAM通过检测存储单元电阻的高低来判断存储数据是0还是1

就“读取速度”而言， MRAM及 SRAM的速度最快，同为 2 5～10 0 n s，不过，MRAM仍比 SRAM快； DRAM则为 50～100n s，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， D R A M、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。

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。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。

自旋电子学的发展与应用，预示着以调控自旋为基础的芯片新时代将可能在未来取代调控电荷的芯片时代。

责任编辑：程梦瑶

chengmy@softic.com.cn

严凌宇

约克大学电子系博士研究生