新型存儲器MRAM（一）：技術解析

MRAM簡介

磁隨機存儲器（Magnetic random access memory，MRAM）是一種利用讀取磁阻大小爲原理的新型非易失性（Non-Volatile）隨機存儲器之一（圖1）。與其他存儲技術相比（表1），MRAM在速度、面積、寫入次數和功耗方面能夠達到較好的折中，因此被業界認爲是構建下一代非易失性緩存和主存的潛在存取器件之一。

圖1 存儲器類型

表1 各類存儲器的性能比較

磁隧道結及隧穿磁阻效應

MRAM性能的提升，得益於磁隧道結（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的隧穿磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）值不斷提高。磁隧道結是MRAM的基本存儲單元，其核心部分是由兩個鐵磁金屬層（典型厚度爲1~2.5nm）夾着一個隧穿勢壘層（絕緣材料，典型厚度爲1~1.5nm）構成類似於三明治結構的納米多層膜（圖2）。其中一個鐵磁層被稱爲參考層（Reference Layer）或固定層（Pinned Layer），它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。

圖2（a）磁隧道結的核心結構；（b）隧穿磁阻效應

另一個鐵磁層被稱爲自由層（Free Layer），它的磁化有兩個穩定的取向，分別與參考層平行或反平行，這將使磁隧道結處於低阻態或高阻態，該現象被稱爲隧穿磁阻效應。兩個阻態可分別代表二進制數據“0”和“1”，是MRAM存儲的基本原理。

隧穿磁阻效應可以用自旋相關隧穿理論予以解釋，如圖3所示，對於鐵磁金屬，自旋向上和自旋向下的電子態在費米能級附近分佈不均衡。當參考層與自由層磁化方向一致時，兩層鐵磁材料中處於多數態的電子自旋方向相同，隧穿概率較高，隧穿電流較大，磁隧道結呈現低阻態；反之，磁隧道結呈現高阻態。

圖3 自旋電子隧穿原理

隧穿磁阻效應最早於1975年由法國學者Julliere在低溫下成功觀測，但在當時並未引起較多的關注，此後的研究進展也極其緩慢，原因是當時的工藝水平難以製備出高質量的納米薄膜。

圖4 非晶Al-O和單晶MgO磁隧道結的室溫TMR值的提升進程

如圖4所示，直到1995年，日本東北大學Miyazaki與美國MIT Moodera兩個研究小組分別成功獲得了室溫下的隧穿磁阻效應，他們製備的磁隧道結以Al2O3作爲勢壘，TMR值分別爲11.8%和18%。這一成果重新喚起了人們對隧穿磁阻效應的研究熱情。

隨後，爲進一步推動磁隧道結在硬盤磁頭和MRAM（室溫下需要約150%或更高的TMR值）領域的應用，學術界進行了大量探索以獲取更高的TMR值。2001年，Butler和Mathon等人從理論上預言，若將磁隧道結的勢壘由無定形態的Al2O3替換爲單晶MgO，將獲得更高的TMR值（理論預測可達1000%），原因是MgO晶格的對稱性對隧穿電子的波函數具有篩選作用，該機制對TMR產生了額外的貢獻。

這一理論預言在2004年得到了證實：IBM實驗室的Parkin等人和日本AIST研究所的Yuasa等人分別成功製備了採用單晶MgO勢壘的磁隧道結，室溫TMR值達到200%左右。此後，基於單晶MgO勢壘的磁隧道結的室溫TMR實驗值不斷提高，一度（2008年）達到604%。當前主流的磁隧道結均採用單晶MgO作爲勢壘層。

圖5 幾種常見的磁電阻效應典型數值及相對應的自旋電子學器件

MRAM的分類及發展歷程

基於TMR和巨大隧穿磁阻（Giant TRM，TMR＞100%）效應，總共衍生出兩代主要的MRAM器件類型（圖5）：第一代是磁場驅動型MRAM，即通過電流產生的磁場驅動存儲單元的磁矩進行寫入操作，典型代表有星型MRAM（astroid-MRAM）和嵌套型MRAM（toggle-MRAM）；第二代是電流驅動型自旋轉移矩MRAM（Spin Transfer Torque MRAM，STT-MRAM），即通過極化電流對存儲單元進行寫入操作。

1. astroid-MRAM和toggle-MRAM

MRAM的寫入操作通過磁隧道結中自由層的磁化翻轉來實現。早期結構設計最簡單的MRAM模型之一是交叉點型MRAM，它的寫操作受到星形線的限制，所以也稱爲astroid-MRAM，其電路結構如圖6所示，磁隧道結置於字線（Digit Line）和位線（Bit Line）的交叉處，字線和位線分別沿着自由層的難磁化軸和易磁化軸方向。

寫入時，被選中的磁隧道結的字線和位線分別通入電流以產生互相垂直的兩個磁場，它們的大小均不足以使自由層完成磁化翻轉，但二者能夠將彼此方向上的矯頑場大小降低至所產生的磁場以下，因此，只有交叉處的磁隧道結能夠完成狀態的寫入。

這種寫入方式要求位線（或字線）產生的磁場足夠大以至於能夠有效地減小字線方向上（或位線方向上）的矯頑場，但同時也要足夠小以避免同一條位線（或字線）上的其餘磁隧道結被誤寫入（半選干擾問題），由於工藝偏差的存在，會產生讀寫錯誤，所允許寫入的磁場範圍非常有限。

圖6 採用磁場寫入方式的磁性隨機存儲器

爲了克服星形線的約束，Freescale提出一種被稱爲toggle的改進型磁場寫入方式，基於這種寫入方式的磁隧道結采用合成反鐵磁結構的自由層，如圖7（a）所示，將自由層的難（易）磁化軸與寫入磁場呈45°放置，如圖7（b）所示，則單獨的一個寫入磁場無法使自由層完成磁化翻轉，從而避免了“半選干擾”問題，也擴展了寫入磁場的可操作範圍。

基於這種toggle寫入方式，Freescale成功推出第一款4Mb的toggle-MRAM商用產品。除了toggle寫入方式之外，學術界還曾提出利用熱輔助以改善MRAM的寫入性能（圖7（c））。

這種寫入方式只需要一個外加磁場，能夠解決“半選干擾”問題，功耗和可靠性都有所改善。雖然熱輔助式MRAM在一定程度上克服了星形線帶來的限制，然而於此同時也帶來了器件集成工藝上的複雜性，此外由於熱處理需要專門的配套工藝，考慮到熱導率等因素的限制，材料的選擇也受到一定程度的限制。

圖7（a）和（b）採用Toggle寫入方式的磁隧道結結構及位元佈局；（c）熱輔助寫入方式示意圖

熱輔助式MRAM和toggle-MRAM都不能從根本上克服磁場寫入方式存在着3個固有缺陷：1）需要毫安級的寫入電流，功耗較高；2）隨着工藝尺寸的減小，寫入電流將急劇增大，難以在納米級磁隧道結中推廣應用；3）需要較長的載流金屬線產生磁場，電路設計複雜度較高。這些缺點限制了MRAM的應用前景，因此，以純電學方式完成磁化翻轉，成爲當時MRAM研究人員追求的重要目標。

2. STT-MRAM

1996年，Slonczewski和Berger從理論上預測了一種被稱爲自旋轉移矩的純電學的磁隧道結寫入方式，其基本原理如圖8所示，當電流從參考層流向自由層時，首先獲得與參考層磁化方向相同的自旋角動量，該自旋極化電流進入自由層時，與自由層的磁化相互作用，導致自旋極化電流的橫向分量被轉移，由於角動量守恆，被轉移的橫向分量將以力矩的形式作用於自由層，迫使它的磁化方向與參考層接近，該力矩被稱爲自旋轉移矩。

同理，對於相反方向的電流，參考層對自旋的反射作用使自由層磁化獲得相反的力矩，因此，被寫入的磁化狀態由電流方向決定。

圖8（a）自旋轉移矩原理示意圖；（b）自旋轉移矩對磁動力學的作用圖解

自旋轉移矩依靠電流實現磁化翻轉，寫入電流密度大概在106~107A/cm2之間，而且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小，克服了傳統磁場寫入方式的缺點，因而被廣泛認爲是實現磁隧道結的純電學寫入方式的最佳候選。

隨着自旋轉移矩效應的發現以及材料和結構的優化，基於自旋轉移矩效應的STT-MRAM器件應運而生。自從自旋轉移矩效應被證實以來，一方面研究人員通過大量的努力嘗試降低磁化反轉的臨界電流，增加熱穩定性；另一方面Sony、Hitachi、Renesas、Crocus、Toshiba、Samsung、Hynix、IBM等多家公司也在積極研發STT-MRAM。

2005年，Sony基於CoFeB/MgO/CoFeB 磁隧道結首次製備了4Kb的STT-MRAM演示芯片。隨後，Toshiba、Everspin、NEC、Hynix、Hitachi和日本東北大學也分別製備出STT-MRAM樣片。

早期的磁隧道結采用面內磁各向異性（In-Plane Magnetic Anisotropy）。它存在如下兩個弊端：

1）隨着工藝減小，熱穩定性惡化。採用面內磁各向異性磁隧道結的存儲壽命取決於熱穩定性勢壘和磁各向異性場，面內磁各向異性的來源是薄膜平面較大的長寬比。

隨着工藝尺寸的微縮（＜50nm），這種薄膜的邊際效應加劇，會產生顯著的磁渦旋態，難以保持較高的熱穩定性勢壘，甚至穩定的磁化也無法存在，這將限制MRAM的存儲密度；

其次，面內磁各向異性的磁隧道結降低了自旋轉移矩的翻轉效率。

解決上述兩個弊端的有效途徑是使用垂直磁各向異性（Perpendicular Magnetic Anisotropy）的磁隧道結，如圖9所示。垂直磁各向異性避免了磁渦旋態在薄膜邊緣的形成，在納米尺度下亦可獲得較高的各向異性場和熱穩定性勢壘，從而提高存儲密度。而且，若採用垂直磁各向異性，則自旋轉移矩所需的臨界翻轉電流直接正比於熱穩定性勢壘。

因此，對於相同的熱穩定性勢壘，垂直磁各向異性能夠使磁隧道結的臨界翻轉電流比面內磁各向異性的更低，相應地，自旋轉移矩的翻轉效率更高。鑑於上述優勢，研究人員也一直致力於採用垂直磁各向異性的磁隧道結結構建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

圖9（a）垂直磁各向異性的磁隧道結；（b）沿面內和垂直方向的磁化曲線，證明易磁化軸沿垂直方向。

2002年，Nishimura等人首次製備了具有垂直磁各向異性的磁隧道結，它的結構爲TbFeCo/CoFe/Al2O3/CoFe/GdFeCo，寫入方式爲磁場驅動。2006年，Mangin等人首次在Co/Ni金屬多層膜中同時實現了垂直磁各向異性和自旋轉移矩驅動的磁化翻轉。

2008年，Toshiba公司通過採用TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe結構製備了具有垂直磁各向異性的磁隧道結，並且實現了自旋轉移矩寫入，但由於退火不充分導致MgO未完全呈現單晶態，該磁隧道結的TMR值僅有15%。

2010年，BM研製了基於MgO勢壘垂直各向異性磁隧道結的4Kb容量的STT-MRAM測試芯片。同年，Hitach製備了基於自旋轉移矩寫入的垂直磁各向異性磁隧道結，其結構爲Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta，該磁隧道結兼具較高的熱穩定性、較大的TMR值，以及較低的臨界翻轉電流，幾乎獲得了當時最優的性能。

此後，垂直磁各向異性磁隧道結的尺寸持續縮小以效降低臨界電流密度。這樣與之匹配的半導體CMOS電路的晶體管尺寸也能做的更小，從而節省了空間，得以提高存儲密度。2011年，Samsung報道了短軸長度僅爲17nm的垂直磁各向異性磁隧道結。

該尺寸的磁性隧道結的成功製備證明了基於垂直各向異性的磁性隧道結的MRAM，可以於半導體工藝22nm節點相融合。2016年IBM和Samsung合作展示了直徑爲11nm的垂直磁各向異性磁隧道結，可以與半導體工藝14nm節點相匹配。

同年，IMEC展示了世界上最小的垂直磁各向異性磁隧道結，其直徑僅爲8nm，兼容半導體工藝10nm節點以下。由於採用 “1晶體管+1pMTJ”設計（圖10）的pSTT-MRAM結構簡單，集成度高，因而更具有市場競爭力。