STT-MRAM：“万能存储器”

一、SRAM、DRAM，以及Flash

存储器是电子系统的重要组成部分。当前，绝大多数电子系统均采用寄存、主存加硬盘的存储体系结构（如图1（a）），与之相对应，静态随机存储器（SRAM）、动态随机存储器（DRAM）、闪存（Flash）或硬盘（HDD）成为实现这三种存储体系的传统存储技术。然而，随着信息和纳米加工技术高速发展，基于传统存储体系构建的电子系统正面临着巨大的挑战。一方面新兴的移动计算、云计算等和数据中心对数据一致性提出极高要求，传统的缓存及主存一旦断电，关键数据就会发生丢失。因此，数据必须不断备份到闪存或硬盘上，该过程严重影响了访存性能。另一方面大型数据中心的能耗不断攀升，基于电池技术的物联网及移动设备也因功耗及待机问题被人诟病。以上诸多挑战需要新的器件、架构设计等技术加以解决。

图1 传统存储体系结构（a），新型“万能存储器”存储体系结构（b）

二、STT-MRAM：“万能存储器”

传统存储器的技术局限以及不断缩小的制造尺寸所带来的巨大挑战促使科研人员开始寻找新一代存储器件，它应具有接近静态存储器的纳秒级读写速度，具有动态存储器甚至闪存级别的集成密度和类似Flash的非易失性存储特性。“万能存储器”概念作为新一代存储器的要求被提出来（如图1（b））。自旋转移矩—磁随机存储器器件（Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory：STT-MRAM）就是一种接近“万能存储器”要求的极具应用潜力的下一代新型存储器解决方案。

类比地球的公转与自转，微观世界的电子同时具有围绕原子核的“公转”轨道运动（电荷属性）、电子内禀运动（自旋属性）。STT-MRAM就是一种可以同时操纵电子电荷属性及自旋属性的存储器件。1988年，法国阿尔贝·费尔和德国彼得·格林贝格研究员通过操纵电子自旋属性实现了基于电子自旋效应的磁盘读头，使磁盘容量在20年间从几十兆比特（MB）暴增到几太比特（TB）。他们因此获得2007年的诺贝尔物理奖。

在读操作方面，磁随机存储器一般基于隧穿磁阻效应，在铁磁层1/绝缘层/铁磁层2三层结构中，当两层铁磁层磁化方向相同时，器件呈现“低电阻状态”，当两层铁磁层磁化方向相反时，器件呈现“高电阻状态”，且两个状态可以相互转化（如图2）；在写操作方面，基于自旋转移矩效应，器件处于高阻态时，通自上而下的电流，反射的自旋多态电子会翻转易翻转层磁化方向，器件由低阻态变为高阻态；器件处于低阻态时，通自下而上的电流，隧穿的自旋多态电子会翻转易翻转层磁化方向，器件由高阻态变为低阻态。自旋转移矩效应已被验证可实现1纳秒以下的写操作。

图2 TMR效应(a)、STT-MRAM单元原理图（b）、低态写高态（c）、高态写低态（d）

STT-MRAM不仅接近“万能存储器”的性能，同时由于其数据以磁状态存储，具有天然的抗辐照、高可靠性以及几乎无限次的读写次数，已被美日韩等国列为最具应用前景的下一代存储器之一。美国Everspin、Honeywell公司已经推出了其MRAM存储器芯片产品，并被大量用于高可靠性应用领域。美国IBM、Qualcomm，日本Toshiba都已开发出其大容量STT-MRAM测试芯片。韩国Samsung、SK Hynix均宣布具备了STT-MRAM的生产能力。美日韩等国很有可能在继硬盘、DRAM及Flash等存储芯片之后再次实现对我国100%的垄断。考虑到STT-MRAM采用了大量的新材料、新结构、新工艺，加工制备难度极大，现阶段其基本原理还不够完善，发明专利分散在各研究机构、公司中，专利封锁还未完全形成，正是国内发展该项技术的最好时机。

三、国内首个80纳米STT-MRAM制备

近日，中科院微电子所集成电路先导工艺研发中心赵超研究员与北京航空航天大学赵巍胜教授的联合团队经过3年的攻关，成功制备国内首个80纳米自旋转移矩—磁随机存储器器件（STT-MRAM）。

在北京市科委的大力支持下，中科院微电子所与北京航空航天大学的联合研发团队经过科研攻关，在STT-MRAM关键工艺技术研究上实现了重要突破，在国内率先采用与传统CMOS工艺兼容的工艺方法和流程，成功制备出直径为80纳米的磁隧道结，器件性能良好，其中，器件核心参数包括隧穿磁阻效应达到92%，可实现纯电流翻转且电流密度达到国际领先水平