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STT-MRAM存儲技術(shù)解析

2018-03-09 11:08:08

存儲器是每一個計算機系統(tǒng)、存儲方案和移動設(shè)備都必須使用的重要部件之一。存儲器的性能、可擴展性,可靠性和成本是決定推向市場的每個系統(tǒng)產(chǎn)品經(jīng)濟上成敗與否的主要標(biāo)準(zhǔn)。
 
目前,幾乎所有產(chǎn)品都使用一種或組合使用若干種基于電荷存儲的易失性存儲器DRAM和SRAM,以及非易失性存儲器NOR和NAND閃存?,F(xiàn)有的這些存儲器具有非常大的優(yōu)勢,所以在過去30年一直占據(jù)市場主導(dǎo)地位。但由于系統(tǒng)始終在追求更小、更快、更可靠、更便宜的存儲器,以便在未來五到十年間進行有力競爭,所以上述存儲器的不足也給其未來發(fā)展帶來未知的變化。
 
最近有新的突破性技術(shù)強勢進入市場,特別是電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(PCRAM)等非易失性存儲器(NVM),它們表示將提供低功耗、高性能、以及無限的使用壽命。磁RAM(MRAM)也是這些新興技術(shù)之一。
 
其實MRAM并不是新產(chǎn)品,早在25年以前,就已在行業(yè)會議上首次亮相。因其與基于電荷存儲的存儲器是截然不同的,當(dāng)時曾轟動業(yè)界?,F(xiàn)在,已經(jīng)有幾種不同類型的MRAM使用在不同的應(yīng)用上,其中包括場開關(guān)和熱輔助MRAM。所有這些技術(shù)都具有顯著的優(yōu)異特性,因此MRAM可用于各種不同的特殊應(yīng)用。
 
但自旋轉(zhuǎn)移力矩(STT)MRAM非常適合許多主流應(yīng)用,作為存儲技術(shù)來說,它不但有DRAM和SRAM的高性能,而且具有閃存的低功耗和低成本,且其可采用10nm工藝制造;此外,還可沿用現(xiàn)有的CMOS制造技術(shù)和工藝。因它是非易失性的,所以當(dāng)電源掉電或徹底關(guān)閉時,STT-MRAM將能無限期地保存數(shù)據(jù)。
 
不同于萬眾矚目的新秀RRAM,MRAM作為存儲器件的基本物理原理已廣為人知。
 
就MRAM來說,其存儲單元由一個磁隧道結(jié)(MTJ)構(gòu)成,多年來。MTJ一直被廣泛用作硬盤驅(qū)動器的讀出頭。早期的MRAM器件利用平面內(nèi)MTJ(iMTJ),其中磁矩(具有幅度和方向的向量)平行于襯底的硅表面(圖1)。

圖1:內(nèi)嵌式MTJ框圖。


圖2:垂直MTJ圖。
 
雖然基于iMTJ的STT-MRAM用90nm以下工藝節(jié)點實現(xiàn)還不甚成熟,且在200mm晶圓也無成本競爭力,但基于pMTJ的STT-MRAM在可制造性方面展現(xiàn)出極大優(yōu)勢,可延伸至10nm以下工藝實現(xiàn)。在成本方面,它有望與諸如DRAM等其它存儲器技術(shù)決一勝負(fù)。在未來幾年,由于STT-MRAM的這種可擴展性,它將在低和中密度應(yīng)用中替代DRAM和閃存。


本文關(guān)鍵詞:STT-MRAM

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