MRAM：內存的新潮流(上)

摘要： Freescale運用自旋電子技術(shù)制作了新的非易失性RAM，本文對此進(jìn)行了詳細介紹。

關(guān)鍵詞： MRAM；自旋電子；位線(xiàn)；字線(xiàn)

在半導體業(yè)界，微處理器是一種更有魅力，利潤更高，而且更難以設計的產(chǎn)品，而內存芯片在推動(dòng)半導體技術(shù)向前發(fā)展的過(guò)程中則會(huì )起到關(guān)鍵性的作用。Intel早期的成功，來(lái)源于其1970年推出的、當時(shí)業(yè)界第一款DRAM芯片，1kb的1103。兩年后，1103成為業(yè)界銷(xiāo)售情況最好的內存芯片，在很多新的系統設計中取代了磁芯存儲器。DRAM在過(guò)去的歲月中成為半導體技術(shù)發(fā)展的前沿。它還推動(dòng)人們在新材料和設備方面投入大筆資金。上世紀80年代中期，NMOS技術(shù)制作的大規模DRAM(1MB或更高)的發(fā)熱量過(guò)大，于是業(yè)界普遍轉向低功耗的CMOS技術(shù)，發(fā)熱問(wèn)題也使得大型機取消了ECL電路。如今，隨著(zhù)晶體管繼續等比例縮小，發(fā)熱又成為CMOS技術(shù)的一個(gè)日益嚴重的問(wèn)題。

Intel的發(fā)展路線(xiàn)圖充滿(mǎn)信心地預計未來(lái)的芯片的幾何尺寸按規則的兩年周期不斷下降，從今年還是領(lǐng)先的65nm技術(shù)前進(jìn)到明年的45nm，再發(fā)展到2009的32nm平臺和2011年的22nm平臺。工程師們作出了種種驚人的努力，以推遲CMOS晶體管的等比例縮小的終結。這些努力包括銅互連、高k和低k介質(zhì)、絕緣體上硅(SOI)、應力硅、雙柵晶體管等等。不過(guò)CMOS漫長(cháng)的統治終將終結?，F在該是找到一種能讓半導體業(yè)的發(fā)展延續至2020年并跨越2020年的新技術(shù)的時(shí)候了。

自旋電子時(shí)代的來(lái)臨

在對半導體新技術(shù)的追求中，技術(shù)研發(fā)者中有一大批技術(shù)人員已經(jīng)站到自旋電子(即“自旋態(tài)輸運電子”的簡(jiǎn)稱(chēng))的陣營(yíng)中來(lái)并搖旗吶喊。自旋電子學(xué)建立在電子兩種自旋狀態(tài)這一獨特的基本特性的基礎上。

電子具有質(zhì)量，但它們的尺寸極小，接近于零，它們的“自旋”并非是繞空間某根軸的旋轉，因為它們根本就沒(méi)有軸或者其他空間的幾何特征。既然自旋是某種類(lèi)型的運動(dòng)，而運動(dòng)的帶電體會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，于是電子的自旋使得電子成為微型的磁偶極子，成為自然界的一種基本磁體。自旋方向的確定可以通過(guò)電子的磁矩(N－S極對準的方向)的感測來(lái)實(shí)現。自旋可以成為實(shí)現二進(jìn)制編碼的物質(zhì)基礎——“上旋”代表0，“下旋”可以代表1，而該技術(shù)的實(shí)現，就取決于能否廉價(jià)而有效地直接測量和操控電子自旋。

研究者正在自旋電子學(xué)方面取得進(jìn)展。他們已經(jīng)用基于磁量子細胞自動(dòng)機(magnetic quantum cellular automata，納米級的磁體陣列)的NAND和NOR門(mén)研制出可工作的原型芯片?；诖艑W(xué)的邏輯電路，至少從原理上來(lái)說(shuō)有望采用比基于晶體管的邏輯電路更簡(jiǎn)單的結構。要實(shí)現一個(gè)雙輸入的AND門(mén)，需要6個(gè)晶體管，而同樣功能的納米電路只需將兩條磁納米線(xiàn)連接起來(lái)就行。不過(guò)商業(yè)化的磁邏輯器件可能直到下一個(gè)十年才有可能推出。要研制出實(shí)用化的、依靠控制基本粒子的量子態(tài)來(lái)進(jìn)行工作的“量子計算機”就更加遙不可及。

不過(guò)，業(yè)界不需要等到下一個(gè)十年才去努力攫取自旋電子學(xué)的價(jià)值。與以往重要的新的半導體技術(shù)總是引入內存技術(shù)的歷史發(fā)展趨勢一樣，基于自旋電子學(xué)原理的內存芯片現在已經(jīng)出現。今年7月，Freescale Semiconductor推出了全球第一個(gè)商用化的MRAM(磁，或磁致電阻式的，隨機存取芯片)，MR2A16A僅是一個(gè)4Mb器件，但它是一個(gè)開(kāi)端。更大容量的MRAM芯片很快將會(huì )出現。這種技術(shù)有望將快速的、非易失性的內存嵌入到微處理器、微控制器、ASIC和系統級芯片(SoC)器件。

自旋電子器件的基本原理

最簡(jiǎn)單的MRAM存儲單元可以采用一個(gè)金屬三明治結構，包括兩個(gè)為一個(gè)非常薄的絕緣體分割開(kāi)來(lái)的迭層板結構。底層板的磁矩是固定的(“釘扎的”)，稱(chēng)為固定板，而頂層板的N－S極走向是雙穩態(tài)式的(可變的)，被稱(chēng)為自由層。頂板的磁場(chǎng)方向可以在與底板相同和相反兩個(gè)狀態(tài)間切換。

由于有量子隧道效應存在，這種三明治結構中的薄絕緣層可以流過(guò)小的電流。該電流會(huì )遇上低電阻(如果兩層磁體材料對準的話(huà))或者高電阻(如果兩層磁體材料磁場(chǎng)對準但方向相反的話(huà))，這種通過(guò)控制兩個(gè)疊放磁體的對準和反對準來(lái)改變電阻的原理被稱(chēng)為磁致電阻效應(即MRAM中的M)。兩塊極板間的間隙被稱(chēng)為磁隧道結(MTJ)。因為疊層中頂板具有兩個(gè)相反的穩定態(tài)(對準方向)，它可以?xún)Υ嬉粋€(gè)二進(jìn)制的量值。該單元的對準態(tài)(低電阻)態(tài)往往指示零，它的反對準(高阻態(tài))往往代表1。

基于磁致電阻的MRAM位單元需要分布在雙層上的、相互垂直的導線(xiàn)柵格。由于上層的線(xiàn)和下層的線(xiàn)必須經(jīng)過(guò)該單元的頂板和底板，而不至于真正接觸到它們，因此這兩層金屬間的垂直距離需要略大于MRAM位單元本身的高度。MRAM位單元夾在兩層線(xiàn)之間，水平位置在每個(gè)交叉點(diǎn)上。

基本的交叉點(diǎn)陣列交換架構與MRAM幾乎毫無(wú)二致。為了讀出一位信息，電流將流過(guò)對應的底部字線(xiàn)，沿著(zhù)所選通的單元向上流出，邏輯電路則感應出在所連接的頂部位線(xiàn)上的相應電流。寫(xiě)入是通過(guò)向恰當的字線(xiàn)通電、同時(shí)讓電流流過(guò)位線(xiàn)來(lái)實(shí)現的，電流或者形成對準方向(寫(xiě)入0)，或者形成反對準狀態(tài)(寫(xiě)入1)。圖1示出了一個(gè)交叉點(diǎn)MRAM架構。

圖1 交叉點(diǎn)MRAM構架

MRAM的利弊

與SRAM類(lèi)似的是，MRAM在讀寫(xiě)方面都可以實(shí)現高速化，而且本身還具有極高的可靠性(磁體本質(zhì)上是抗輻射的，因此MRAM本身可以免受軟錯誤之害。)而MRAM與DRAM類(lèi)似之處，就在于它是高密度的，而且還具有讀取無(wú)破壞性、無(wú)需消耗能量來(lái)進(jìn)行刷新等優(yōu)勢。(磁體不受電荷漏電之苦。)MRAM與閃存的類(lèi)似之處，就在于同樣是非易失性的，它還具備了寫(xiě)入和讀取速度相同的優(yōu)點(diǎn)，并具有承受無(wú)限多次讀－寫(xiě)循環(huán)的能力。(在自由磁體層中來(lái)回切換的運動(dòng)是電子的自旋，而電子本身永遠不會(huì )磨損)。

另外一個(gè)吸引人的特色就是MRAM單元可以方便地嵌入到邏輯電路芯片中，只需在后端的金屬化過(guò)程增加一兩步需要光刻掩模版的工藝即可。另外，因為MRAM單元可以完全制作在芯片的金屬層中，將2~3層單元疊放起來(lái)是可以實(shí)現的，這樣就可以在邏輯電路上方構造規模極大的內存陣列。這樣的可能性使我們可以預見(jiàn)到未來(lái)有望出現新型的、功能大大提升的單芯片系統這一美好前景。由于可以取代DRAM、SRAM或者閃存，MRAM可以消除處理器－內存性能之間不斷擴大的差距。MRAM對于能支持線(xiàn)程數不斷提高的多線(xiàn)程的處理器來(lái)說(shuō)有很高的價(jià)值，因為它可以提供支持這些器件所必需的極大的帶寬。

之所以這一高達500億美元的市場(chǎng)置換(如果MRAM能取代所有其他的內存的話(huà))還沒(méi)有實(shí)現，是因為MRAM技術(shù)難以實(shí)現——至少難以通過(guò)一種實(shí)用化的、可靠的方式來(lái)實(shí)現。一個(gè)攔路虎是對自由板進(jìn)行寫(xiě)入(重新改變其對準方向)所需的功率很高，因此交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)架構受到連帶寫(xiě)入問(wèn)題的困擾。雖然只有所選中的位單元會(huì )承受由同時(shí)沿著(zhù)字線(xiàn)和位線(xiàn)流動(dòng)的電流引起的強烈的激勵磁場(chǎng)，但沿著(zhù)其中任一根線(xiàn)上分布的所有其他的位單元也會(huì )承受一半的切換功率，因此它們被“半選中”。理論上，“半選中”的磁場(chǎng)作用并未強到足以重新改變這些單元對準方向的地步，因此這些位應該毫不受影響。但在實(shí)踐中，由于MRAM單元要構成大規模的陣列，在那些為數眾多的“半選中”的單元中勢必有可能有某一個(gè)單元的自由板要出現狀態(tài)的隨機翻轉。

問(wèn)題就在于，對寫(xiě)入線(xiàn)(字或位)線(xiàn)通電，可以降低這條線(xiàn)(位于其上方或下方)上的每個(gè)單元的切換勢壘。遺憾的是，在一個(gè)MRAM陣列中的自由板沒(méi)有共同的、固定的切換閾值。于是，“半選中”的單元數量越多，其中某個(gè)單元的狀態(tài)接近自身閾值而出現翻轉的機會(huì )就越大。要避免這個(gè)問(wèn)題，就需要對陣列的布局、內存單元的構造以及導線(xiàn)上的電流分布進(jìn)行嚴格而一致性的控制，而這種控制的嚴格性和一致性的程度是難以實(shí)現的。于是，可望實(shí)用化的交叉點(diǎn)陣列，只能用于實(shí)現沒(méi)有什么吸引力的小規模的存儲之中。

另外，交叉點(diǎn)陣列還會(huì )遇到不易擴展的問(wèn)題。在等比例縮小時(shí)，交叉點(diǎn)間的距離縮短，而相鄰單元間的磁場(chǎng)的交疊就愈加嚴重，同樣會(huì )由于鄰近單元間相互影響而導致的錯誤的狀態(tài)翻轉。于是，在實(shí)踐中，交叉點(diǎn)陣列間的尺寸長(cháng)度不能超過(guò)一定的限度，而當前的半導體集成電路則早已突破了這一尺寸極限值。

對于簡(jiǎn)單的鐵磁性的三明治結構和基本的交叉陣列來(lái)說(shuō)，上述弊病的解決之道是更為復雜的自旋電子結構。一個(gè)將工作性大大提高的設計是“旋檔切換開(kāi)關(guān)(toggle-mode switching)”，這也就是Freescale最近推出的4Mb MRAM，MR2A16A所采用的結構。作為第一種投入批量生產(chǎn)的MRAM產(chǎn)品，這款芯片值得仔細研究一番。