《新型存储器MRAM（一）：技术解析》
| 出自：战略研究室
中国科学院上海微系统与信息技术研究所
| 作者：朱雷
2018-10-15 15:57 发表于上海
一. MRAM简介
磁随机存储器（Magnetic random access memory，MRAM）是一种利用读取磁阻大小为原理的新型非易失性（Non-Volatile）随机存储器之一（图1）。与其他存储技术相比（表1），MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的潜在存取器件之一。
图1 存储器类型
表1 各类存储器的性能比较
(一) 磁隧道结及隧穿磁阻效应
MRAM性能的提升，得益于磁隧道结（Magnetic Tunnel Junction，MTJ）的隧穿磁阻（Tunnel Magnetoresistance，TMR）值不断提高。磁隧道结是MRAM的基本存储单元，其核心部分是由两个铁磁金属层（典型厚度为1~2.5nm）夹着一个隧穿势垒层（绝缘材料，典型厚度为1~1.5nm）构成类似于三明治结构的纳米多层膜（图2）。其中一个铁磁层被称为参考层（Reference Layer）或固定层（Pinned Layer），它的磁化沿易磁化轴方向固定不变。另一个铁磁层被称为自由层（Free Layer），它的磁化有两个稳定的取向，分别与参考层平行或反平行，这将使磁隧道结处于低阻态或高阻态，该现象被称为隧穿磁阻效应。两个阻态可分别代表二进制数据“0”和“1”，是MRAM存储的基本原理。隧穿磁阻效应可以用自旋相关隧穿理论予以解释，如图3所示，对于铁磁金属，自旋向上和自旋向下的电子态在费米能级附近分布不均衡。当参考层与自由层磁化方向一致时，两层铁磁材料中处于多数态的电子自旋方向相同，隧穿概率较高，隧穿电流较大，磁隧道结呈现低阻态；反之，磁隧道结呈现高阻态。
图2（a）磁隧道结的核心结构；（b）隧穿磁阻效应
图3 自旋电子隧穿原理
隧穿磁阻效应最早于1975年由法国学者Julliere在低温下成功观测，但在当时并未引起较多的关注，此后的研究进展也极其缓慢，原因是当时的工艺水平难以制备出高质量的纳米薄膜。
图4 非晶Al-O和单晶MgO磁隧道结的室温TMR值的提升进程
如图4所示，直到1995年，日本东北大学Miyazaki与美国MIT Moodera两个研究小组分别成功获得了室温下的隧穿磁阻效应，他们制备的磁隧道结以Al2O3作为势垒，TMR值分别为11.8%和18%。这一成果重新唤起了人们对隧穿磁阻效应的研究热情。随后，为进一步推动磁隧道结在硬盘磁头和MRAM（室温下需要约150%或更高的TMR值）领域的应用，学术界进行了大量探索以获取更高的TMR值。2001年，Butler和Mathon等人从理论上预言，若将磁隧道结的势垒由无定形态的Al2O3替换为单晶MgO，将获得更高的TMR值（理论预测可达1000%），原因是MgO晶格的对称性对隧穿电子的波函数具有筛选作用，该机制对TMR产生了额外的贡献。这一理论预言在2004年得到了证实：IBM实验室的Parkin等人和日本AIST研究所的Yuasa等人分别成功制备了采用单晶MgO势垒的磁隧道结，室温TMR值达到200%左右。此后，基于单晶MgO势垒的磁隧道结的室温TMR实验值不断提高，一度（2008年）达到604%。当前主流的磁隧道结均采用单晶MgO作为势垒层。
图5 几种常见的磁电阻效应典型数值及相对应的自旋电子学器件
(二) MRAM的分类及发展历程
基于TMR和巨大隧穿磁阻（Giant TRM，TMR＞100%）效应，总共衍生出两代主要的MRAM器件类型（图5）：第一代是磁场驱动型MRAM，即通过电流产生的磁场驱动存储单元的磁矩进行写入操作，典型代表有星型MRAM（astroid-MRAM）和嵌套型MRAM（toggle-MRAM）；第二代是电流驱动型自旋转移矩MRAM（Spin Transfer Torque MRAM，STT-MRAM），即通过极化电流对存储单元进行写入操作。
1. astroid-MRAM和toggle-MRAM
MRAM的写入操作通过磁隧道结中自由层的磁化翻转来实现。早期结构设计最简单的MRAM模型之一是交叉点型MRAM，它的写操作受到星形线的限制，所以也称为astroid-MRAM，其电路结构如图6所示，磁隧道结置于字线（Digit Line）和位线（Bit Line）的交叉处，字线和位线分别沿着自由层的难磁化轴和易磁化轴方向。写入时，被选中的磁隧道结的字线和位线分别通入电流以产生互相垂直的两个磁场，它们的大小均不足以使自由层完成磁化翻转，但二者能够将彼此方向上的矫顽场大小降低至所产生的磁场以下，因此，只有交叉处的磁隧道结能够完成状态的写入。这种写入方式要求位线（或字线）产生的磁场足够大以至于能够有效地减小字线方向上（或位线方向上）的矫顽场，但同时也要足够小以避免同一条位线（或字线）上的其余磁隧道结被误写入（半选干扰问题），由于工艺偏差的存在，会产生读写错误，所允许写入的磁场范围非常有限。
图6 采用磁场写入方式的磁性随机存储器
为了克服星形线的约束，Freescale提出一种被称为toggle的改进型磁场写入方式，基于这种写入方式的磁隧道结采用合成反铁磁结构的自由层，如图7（a）所示，将自由层的难（易）磁化轴与写入磁场呈45°放置，如图7（b）所示，则单独的一个写入磁场无法使自由层完成磁化翻转，从而避免了“半选干扰”问题，也扩展了写入磁场的可操作范围。基于这种toggle写入方式，Freescale成功推出第一款4Mb的toggle-MRAM商用产品。除了toggle写入方式之外，学术界还曾提出利用热辅助以改善MRAM的写入性能（图7（c））。这种写入方式只需要一个外加磁场，能够解决“半选干扰”问题，功耗和可靠性都有所改善。虽然热辅助式MRAM在一定程度上克服了星形线带来的限制，然而于此同时也带来了器件集成工艺上的复杂性，此外由于热处理需要专门的配套工艺，考虑到热导率等因素的限制，材料的选择也受到一定程度的限制。
热辅助式MRAM和toggle-MRAM都不能从根本上克服磁场写入方式存在着3个固有缺陷：1）需要毫安级的写入电流，功耗较高；2）随着工艺尺寸的减小，写入电流将急剧增大，难以在纳米级磁隧道结中推广应用；3）需要较长的载流金属线产生磁场，电路设计复杂度较高。这些缺点限制了MRAM的应用前景，因此，以纯电学方式完成磁化翻转，成为当时MRAM研究人员追求的重要目标。
图7（a）和（b）采用Toggle写入方式的磁隧道结结构及位元布局；（c）热辅助写入方式示意图
2. STT-MRAM
1996年，Slonczewski和Berger从理论上预测了一种被称为自旋转移矩的纯电学的磁隧道结写入方式，其基本原理如图8（a）所示，当电流从参考层流向自由层时，首先获得与参考层磁化方向相同的自旋角动量，该自旋极化电流进入自由层时，与自由层的磁化相互作用，导致自旋极化电流的横向分量被转移，由于角动量守恒，被转移的横向分量将以力矩的形式作用于自由层，迫使它的磁化方向与参考层接近， 该力矩被称为自旋转移矩。同理， 对于相反方向的电流，参考层对自旋的反射作用使自由层磁化获得相反的力矩，因此，被写入的磁化状态由电流方向决定。
图8（a）自旋转移矩原理示意图；（b）自旋转移矩对磁动力学的作用图解
自旋转移矩依靠电流实现磁化翻转，写入电流密度大概在106~107A/cm2之间，而且写入电流的大小可随工艺尺寸的缩小而减小，克服了传统磁场写入方式的缺点，因而被广泛认为是实现磁隧道结的纯电学写入方式的最佳候选。随着自旋转移矩效应的发现以及材料和结构的优化，基于自旋转移矩效应的STT-MRAM器件应运而生。自从自旋转移矩效应被证实以来，一方面研究人员通过大量的努力尝试降低磁化反转的临界电流，增加热稳定性；另一方面Sony、Hitachi、Renesas、Crocus、Toshiba、Samsung、Hynix、IBM等多家公司也在积极研发STT-MRAM。2005年，Sony公司基于CoFeB/MgO/CoFeB 磁隧道结首次制备了4Kb的STT-MRAM演示芯片。随后，Toshiba、Everspin、NEC、Hynix、Hitachi和日本东北大学也分别制备出STT-MRAM样片。
早期的磁隧道结采用面内磁各向异性（In-Plane Magnetic Anisotropy）。它存在如下两个弊端：1）随着工艺减小，热稳定性恶化。采用面内磁各向异性磁隧道结的存储寿命取决于热稳定性势垒和磁各向异性场，面内磁各向异性的来源是薄膜平面较大的长宽比。随着工艺尺寸的微缩（＜50nm），这种薄膜的边际效应加剧，会产生显著的磁涡旋态，难以保持较高的热稳定性势垒，甚至稳定的磁化也无法存在，这将限制MRAM的存储密度；其次，面内磁各向异性的磁隧道结降低了自旋转移矩的翻转效率。
解决上述两个弊端的有效途径是使用垂直磁各向异性（Perpendicular Magnetic Anisotropy）的磁隧道结，如图9所示。垂直磁各向异性避免了磁涡旋态在薄膜边缘的形成，在纳米尺度下亦可获得较高的各向异性场和热稳定性势垒，从而提高存储密度。而且，若采用垂直磁各向异性，则自旋转移矩所需的临界翻转电流直接正比于热稳定性势垒。因此，对于相同的热稳定性势垒，垂直磁各向异性能够使磁隧道结的临界翻转电流比面内磁各向异性的更低，相应地，自旋转移矩的翻转效率更高。鉴于上述优势，研究人员也一直致力于采用垂直磁各向异性的磁隧道结结构建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。
图9（a）垂直磁各向异性的磁隧道结；（b）沿面内和垂直方向的磁化曲线，证明易磁化轴沿垂直方向。
2002年，Nishimura等人首次制备了具有垂直磁各向异性的磁隧道结，它的结构为TbFeCo/CoFe/Al2O3/CoFe/GdFeCo，写入方式为磁场驱动。2006年，Mangin等人首次在Co/Ni金属多层膜中同时实现了垂直磁各向异性和自旋转移矩驱动的磁化翻转。
2008年，Toshiba采用TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe结构制备了具有垂直磁各向异性的磁隧道结，并且实现了自旋转移矩写入，但由于退火不充分导致MgO未完全呈现单晶态，该磁隧道结的TMR值仅有15%。2010年，BM研制了基于MgO势垒垂直各向异性磁隧道结的4Kb容量的STT-MRAM测试芯片。同年，Hitach制备了基于自旋转移矩写入的垂直磁各向异性磁隧道结，其结构为Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta，该磁隧道结兼具较高的热稳定性、较大的TMR值，以及较低的临界翻转电流，几乎获得了当时最优的性能。
此后，垂直磁各向异性磁隧道结的尺寸持续缩小以效降低临界电流密度。这样与之匹配的半导体CMOS电路的晶体管尺寸也能做的更小，从而节省了空间，得以提高存储密度。2011年，Samsung报道了短轴长度仅为17nm的垂直磁各向异性磁隧道结。该尺寸的磁性隧道结的成功制备证明了基于垂直各向异性的磁性隧道结的MRAM，可以于半导体工艺22nm节点相融合。2016年IBM和Samsung合作展示了直径为11nm的垂直磁各向异性磁隧道结，可以与半导体工艺14nm节点相匹配。同年，IMEC展示了世界上最小的垂直磁各向异性磁隧道结，其直径仅为8nm，兼容半导体工艺10nm节点以下。由于采用 “1晶体管+1pMTJ”设计（图10）的pSTT-MRAM结构简单，集成度高，因而更具有市场竞争力。
图10 基于垂直磁各向异性的磁隧道结的pSTT-MRAM结构
目前，最新的低功耗、大容量的MRAM器件均采用垂直磁各向异性磁隧道结，比如Everspin已推出的256Mb STT-MRAM商用产品以及展示的1Gb演示器件采用的就是垂直磁各向异性磁隧道结。除了Everspin以外，IBM、Spin Transfer Technologies、Qaulcomm、Samsung等公司也正在研发pSTT-MRAM器件产品。
本文为SIMIT战略研究室原创
