STT-MRAM

傳統的存儲技術，如 SRAM、DRAM、Flash 等在現代電子行業的確取得了顯著的成就，但是隨著半導體製造工藝接近 20nm 水平，這些傳統技術的缺陷就越來越明顯。可擴展性是一種存儲器技術可成功應用的重要特徵，然而 SRAM、DRAM、Flash 的繼續擴展卻變得越來越困難。在 65nm、45nm 工藝上，愈發嚴重的隨機摻雜漲落（RDF）效應引起了反向擴展現象，這在 32nm 及更高工藝水平。會更加嚴峻。儘管現在 8T-或 10T-SRAM 比 6T-SRAM 有著更好的可擴展性，但是在 22nm 工藝水平就會變得很不可靠。同樣地，對於 DRAM，在與成倍增大的漏電流及持續減小的單元電容相抗爭的同時，保證數據的不丟失是很困難的。可靠性的降低，數據保持時間的縮短，編程速度的減緩等問題在亞 45nm 工藝水平的 Flash技術上逐步凸顯。另外，SRAM 和 DRAM 極高的能量泄露、NAND Flash較差的使用壽命以及不斷退化的器件穩定性等問題日趨嚴重，MOSFET 基存儲器在不久的將來就會走到盡頭。現代處理器的緩存基本全部採用 SRAM，但是隨著多處理器晶元（Chip Multipro- cessor，CMP）的發展，對存儲器性能及容量的需求都到達一個新的層次。有限的擴展性、軟錯誤頻現、較高的能量泄露對 SRAM 繼續作為高密度的片上緩存系統提出了挑戰。軟錯誤、應對單元漏電流的備用電源等問題也成為嵌入式 DRAM（embedded dynamic RAM，EDRAM）應用於片上緩存設計的主要瓶頸。

由一隻三極體、一隻磁隧道結（magnetic tunnel junction，MTJ）和若干連接線組成。MTJ 是一種多層薄膜結構，它由固定層、非磁性隔離層和自由層組成。其中，固定層較厚，磁性較強，磁矩不容易反轉，而自由層較薄，磁性較弱，磁矩容易反轉。三極體起到選址作用，三極體的漏極連接 MTJ 的一端（如固定層），當柵極開啟三極體時，源極、漏極、MTJ 和位線組成迴路。位線和附加寫信息線有電流流過時分別產生半選寫信息磁場（即：位線、附加寫信息線產生的磁場僅僅是自由層矯頑力的一半，單獨的位線或附加寫信息線都不能使存儲單元中自由層的磁矩反轉），且磁場相互正交。若存儲單元未被選通，無論附加寫信息線是否有電流流過，自由層的磁矩不會發生反轉；若存儲單元被選通，若附加寫信息線有電流流過，其自由層的磁矩將會因受到來自位線和附加寫信息線的半選寫信息磁場的作用而發生反轉，最終與固定層的磁矩呈平行或者反平行狀態。自由層與固定層的磁矩平行或者反平行時，MTJ 的電阻是不相同的。磁矩相互平行時電阻較小，磁矩反平行時，電阻較大。因此，MRAM 的信息寫入方式是通過電流產生磁場，進而使自由層磁矩發生反轉，改變 MTJ 的電阻，實現信息寫入。 MRAM 的信息讀取是檢測存儲單元的電阻。若存儲單元被選通，恆定的小電流從位線經連接線、MTJ 到選通的三極體漏極流過，在 MTJ 兩端會產生電位差。根據電位差的大小，可得確定 MTJ 的電阻，從而知道自由層與固定層磁矩之間的相對取向關係，這種讀出方法是非破壞性的。

電流流過磁性層時，電流將被極化，形成自旋極化電流。自旋電子將自旋動量傳遞給自由層的磁矩，使自旋磁性層的磁矩獲得自旋動量后改變方向，這個過程稱為自旋傳輸矩，因此，STT-MRAM是通過自旋電流實現信息寫入的。STT-MRAM存儲單元的核心仍然是一個MTJ，由兩層不同厚度的鐵磁層及一層幾個納米厚的非磁性隔離層組成。通過外部電路，電流可以從垂直於MJT表面的方向通過MTJ。電流通過較厚的鐵磁層（稱為固定層）時，電子被自旋極化，其自旋方向為固定層的磁矩方向。如果中間非磁性隔離層的厚度足夠的小，以確保高度的極化（即隔離層的厚度必須小於自旋相干長度λsd，確保電子穿過隔離層之後還能保持最初的自旋極化方向。自旋相干長度是指在自旋方向反轉之前自旋電子所走的距離，在相干傳輸過程中，自旋電子要經歷N次可改變動量的碰撞，其動量相干碰撞的平均距離為λ，其大小由自旋電子費米速度及自旋反轉時間進行估計），自旋極化電子能夠將其自旋角動量轉移給較薄的鐵磁層（稱為自由層），改變自由層的磁化平衡狀態。扮演“極化層”角色的固定層一般較厚(幾十個納米)，其飽和磁化強度很大，它的平衡狀態是不會發生變化的。相反，要受到自旋矩效應的自由層，一般很薄，其飽和磁化強度較小，因此，它的磁矩矢量能根據自旋電流中自旋電子的極化方向自由地變化取向。STT-MRAM存儲單元的結構簡單，它省略了帶磁性外殼的附加寫信息線，最大限度地減少了製備工藝程序，並使存儲單元的橫截面積減小、存儲密度高、存儲速度快，滿足高性能計算機系統的設計要求。

STT-MRAM解決了MRAM寫入信息存在的問題。正向位線電流寫信息“1”。高密度的位線電流（含等量自旋相反的電子流）由自由層流向固定層時，電子與固定層中的磁矩發生交換耦合作用，使自旋平行於固定層磁矩的電子通過，而自旋反平行於固定層磁矩的電子被反射，固定層起到“濾波器”的作用，使電子數量減半，形成自旋電流。由於固定層較厚，磁性較強，反射電子自旋矩不足以使固定層中的磁矩反轉。通過固定層的自旋電子越過極薄的非磁性隔離層，到達自由層，並與自由層磁矩發生交換耦合作用，使自由層的磁矩向著固定層磁矩方向的反方向轉動。最終兩鐵磁層磁矩呈反平行狀態，MTJ的電阻較大，STT-MRAM完成寫入信息“1”。反向位線電流寫信息“0”。若位線的電流反向，自旋相反的電子流通過自由層時，自由層的磁矩方向不變，電流大小不變。經過極薄的非磁性隔離層到達固定層時仍然保持原自旋狀態。這時，若電子的自旋方向與固定層的磁矩方向一致，則通過MTJ；若自旋方向與固定層的磁矩方向相反，則將被反射。反射回來的自旋電子再次通過非磁性隔離層到達自由層時，將自旋矩傳遞給自由層的磁矩，使其進動角度增大，直至反轉。這時自由層與固定層中磁矩平行排列，MTJ的電阻較小，實現了寫入信息“0”。STT-MRAM通過固定層使電流極化，形成自旋電流，自旋電流中的自旋電子將自旋矩傳遞給自由層的磁矩，使其依據自旋電流的方向而發生轉動，實現寫入信息“0”或“1”。STT-MRAM讀取信息的方法與MRAM一樣，也是通過檢測存儲單元的電阻讀出其存儲的信息的。

STT-MRAM存儲單元陣列通過選通柵極（字線）和位線實現定址，通過位線電流實現信息的讀寫，其特點如下：

（1）非易失性、結構簡單和製備工藝費用小存儲的信息由自由層與固定層磁矩的相對取向決定，讀寫信息次數高（無限次）；一旦寫入信息，即使在斷電的情況下也不會丟失，具有非易失性。同時，STT-MRAM省略了附加寫信息線，其結構簡單，工藝費用少；使得存儲密度提高、存儲容量增大，並可封裝成即插即用式和嵌入式。

（2）寫信息的功率損耗小、速度快省略了附加寫信息線，存儲單元的橫截面積可更小；通過位線的電流密度更高，便於自旋矩傳輸；電流減小，可以有較高的電流正負極性變換速度。因此，STT-MRAM寫信息的損耗小、功耗低、速度快。

在認知、數據挖掘和綜合分析方面的最新研究對存儲器系統有了顯著的需求，STT-MRAM 具有的高存儲密度、低能耗、低誤率等優勢使其有著巨大的優勢。在用作緩存上，STT-MRAM 由於具有很高的可寫次數、對軟錯誤的自然免疫力、無備用電源、高的集成密度、非易失性等特點，成為片上緩存系統的最佳候選者之一。通過消除漏電流大大減小了能耗，作為大容量緩存時，STT-MRAM 緩存有更低的動態能量消耗，相比同等容量的 SRAM 緩存，有著更短的信息讀取延遲。新穎的外圍電路設計，多級、多核STT-MRAM 存儲陣列的研究使得STT-MRAM 在存儲密度及能量節省上佔據更大的優勢，更有希望成為 L2、L3 級緩。

STT-MRAM 具有重要的軍事應用，在抗惡劣環境高性能計算機、軍用衛星、導彈、火箭、航天飛行器控制和數據存儲系統中都需要具有超高密度、超大容量、超低能耗、隨機存儲、非易失性、結構簡單、抗輻照能力強等優點的存儲器系統。