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技术/专利/产业/趋势,全方位解读MRAM技术

2018-12-17
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从上世纪90年代到现在,历经了数十年发展的MRAM,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。日前,英特尔和三星也都向外展示了嵌入式 MRAM 在逻辑芯片制造工艺中的新技术。


近日,在第64届国际电子器件会议 (IEDM) 上,英特尔、三星展示了嵌入式 MRAM 在逻辑芯片制造工艺中的新技术。


英特尔 (Intel) 在其 22 FFL 工艺中描述了 STT-MRAM (Spin Transfer Torque MRAM,基于 MRAM 的自旋转移力矩) 非易失性存储器的关键特性。英特尔称其为“首款基于 FinFET 的 MRAM 技术”。


与此同时,三星 (Samsung) 在 28nm FDSOI 平台上描述了 STT-MRAM。在可扩展性、形状依赖性、磁性可扩展性等方面来衡量,STT-MRAM 目前被认为是最好的 MRAM 技术。


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MRAM技术简介

上世纪90年代,MRAM(Magnetic Random Acsess Memory)开始发展。MRAM是指以磁电阻性质来存储数据的随机存储器。它采用磁化的方向不同所导致的磁电阻不同来记录0和1,只要外部磁场不改变,磁化的方向就不改变。


MARM是一种非挥发性的磁性随机存储器,它拥有静态随机存储器(SRAM)的高速读取写入能力,以及静态随机储存器(DRAM)的高集成度,基本上可以无限次地重复写入。MRAM的数据写入方式有两种:磁场写入模式和全电流写入模式。


采用磁场写入方式的磁性随机存储器


前者主要利用了字线与位线在MRAM记录单元上所产生的磁场,使MRAM的自由层在磁场的作用下实现与钉扎层平行和反平行方向的翻转,以此来完成0/1数据的写入。


后者利用了自旋转移矩效应(spin transfer torque,STT),使写入数据线直接通过MRAM记录单元,利用自旋转移矩效应实现磁隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)自由层的翻转。


MRAM芯片截面图


上图为EVERSPIN公司生产的MRAM产品截面图。MRAM单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中,只需在后段的金属化过程增加制作MTJ需要的光刻掩模板的工艺即可。另外,因为MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中,将2-3层单元叠放起来是可以实现的,这也就可以在逻辑电路上方构造规模极大的内存阵列。


各类存储器的性能比较


与其他存储技术相比,MARM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到比较好的折中,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。


不同MTJ结构类型


原理性的MTJ有三层结构,包括两个铁磁性板和一个将它们分开的磁通道隔离层 (Magnetic tunnel barrier,)组成,其中一层铁磁性板是固定磁化的永磁体 (fixed layer或pinned layer, 即固定层); 另一层铁磁性板的是自由磁化即可以改变磁化 (free layer或storage layer, 即自由层)以存储数据。


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MTJ工作方式

MTJ单元的结构有两种。第一种由四层膜组成,从上到下依次是自由层、隔离层、被钉扎层、钉扎层。



自由层:存储信息的磁性薄膜,写入的磁场方向可与上图箭头方向相同或相反。该层使用软铁磁材料,具有比较低的矫顽力、高磁导率及对低磁场的高敏感性,如CoFe、NiFe、NiFeCo等。


隔离层:厚度仅有1-2nm的非磁性薄膜,该层使用的材料为MgO或AI2O3等。


被钉扎层:是MRAM单元中磁场具有固定方向的薄膜。材料的选择应当与反铁磁层具有较强的交换偏置作用,从而使被钉扎层的磁矩能够被有效的被钉扎在固定的方向上。这类材料比较合适的有CoFe、CoFeB。


钉扎层:采用反铁磁材料,常用FeMn、IrMn、NiMn、MnPt、Fe2O3等。


在这一结构中,钉扎层和被钉扎层之间有很强的交换耦合作用,因此被钉扎层的磁矩方向被钉扎在某一个方向而很难被改变。与此同时,被钉扎层和自由层之间由于隔离层的作用,处于退耦合状态,因此自由层的磁矩很容易在外加磁场的作用下发生改变。


当外加磁场发生变化时,自由层和被钉扎层的相对磁矩方向便在平行于反平行这两种状态之间变化,当磁矩平行式,电阻最小,输出为“0”;当反平行时,电阻最大,输出为“1”。


MTJ的第二种结构,是由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。



其中,固定层较厚,磁性较强,磁矩不容易反转。而自由层较薄,磁性较弱,磁矩容易反转。根据自由层和固定层之间磁矩平行和反平行的变化,输出“0”或“1”的状态。


由于这两种结构的被钉扎层和固定层的磁场方向都是固定的,为方便描述,下文将被钉扎层和固定层统称为固定层。


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MRAM 1.0:磁场写入模式

二维MRAM存储阵列


上图是一个二维MRAM存储阵列示意图。MRAM器件是由相互正交的字线和位线组成栅格,由于上层的线和下层的线必须经过该单元的顶板和底板,而不至于真正接触到它们,因此这两层金属间的垂直距离需要略大于MRAM单元本身的高度。


MRAM单元夹在两层线之间,水平位置在每个交叉点上。通过每条字线和每条位线的编码,可对器件中某个特定的MRAM单元寻址,并进行数据写入或读出的操作。


第一代MRAM存储单元


上图是一个MRAM存储单元示意图,它是由一个MOS管、一个磁隧道结(MTJ)和若干连接线组成。三极管起到选址作用,三极管的漏极连接MTJ的一端,当栅极开启三极管时,源极、漏极、MTJ和位线组成回路。


工作原理


写入原理:位线和字线有电流流过时分别产生选写信息磁场(即:位线、字线产生的磁场仅仅是自由层矫顽力的一半,单独的位线或字线都不能使存储单元中自由层的磁矩反转),且磁场相互正交。自由层的磁矩将会因受到来自位线和字线的半选写信息磁场的作用而发生反转,最终于固定层的磁矩平行或者反平行。


自由层和固定层的磁矩平行或者反平行时,MTJ的电阻是不相同的。磁矩相互平行时,电阻较小,显示为“0”;磁矩反平行时,电阻较大,显示为“1”。因此,MRAM的信息写入方式是通过电流产生磁场,进而使用自由层磁矩发生反转,改变MTJ的电阻实现信息写入。


读出原理:MRAM的信息读取是检测存储单元的电阻。若存储单元被选通,恒定的小电流从位线经过MTJ到选通的MOS管漏极流过,在MTJ两端会产生电位差。根据电位差的大小,可确定MTJ的电阻,从而知道自由层和固定层磁矩之间的相对取向关系,这种读出方式是非破坏性的。


MRAM的读写示意图


在数据写入时,MOS管断开,位线和字线同时有电流流过,通过垂直的位线和字线在每一个位上所产生的两个直交磁场来进行数据写入。在读出时,MOS管打开,电流从位线流入并通过MTJ和MOS管,电流脉冲的大小依赖MTJ电阻的高低,因此位中存储的数据就由MTJ电阻的大小来确定。


MRAM的技术难点


第一,功耗大,写入信息速度较慢。写入信息时需要较大的电流产生磁场,使MTJ自由层磁矩发生反转。大电流变化速度较慢,限制了存储单元的写入信息的速度。随着存储单元的尺寸减少,使自由层磁矩发生反转所需的磁场越大,消耗的功率也越大。


第二,结构复杂,制造费用增加。字线和位线带有磁性外壳,使存储单元的结构更复杂,增加了制备工艺难度,且不易于CMOS进行集成,降低性价比。


第三,存储密度和存储容量受限。这种写入机制需要三端电流设计,在双电流选择写入单元时,为保证写入不影响其他单元,MRAM设计记录单元的间距不能太小,否则会出现紧邻大单元间交叉影响,导致信息错误产生误码。


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MRAM 2.0:全电流写入模式

目前,英特尔和三星都使用的STT-MRAM技术,就是采用全电流写入模式的第二代MRAM技术,该技术能够有效地解决第一代MRAM技术难点。


电流流过磁性层时,电流将被极化,形成自旋极化电流。自旋电子将自旋动量传递给自由层的磁矩,使自旋磁性层的磁矩获得自旋动量后改变方向,这个过程称为自旋转移力矩(spin transfer torque,STT)。因此,STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的,核心仍然是一个MTJ。


第二代MRAM全电流写入式


SST可视为与巨磁阻相反的效应,显示的是电流流过多层膜结构后改变多层膜的磁化特性。电流通过较厚的固定层时,电子被自旋极化,其自旋方向为固定层的磁矩方向。如果中间非磁性隔离层的厚度足够小,确保电子穿过隔离层之后还能保持最初的自旋极化方向。



写信息“0”:电流方向从自由层到固定层,自旋电子从固定层到自由层。


如上图(a)所示:自旋电子通过固定层时,自旋方向与固定层磁化方向一致的电子较容易通过,而自旋相反的电子被散射,这也经过固定层时,电流沿着固定层磁化方向被极化,电子的自旋磁矩与固定层平行,穿过隔离层到达自由层时,再一次被极化。电子的自旋方向与自由层的磁化方向一致,电子的自旋方向与自由层的磁化强度之差产生一个力矩(STT),如果自旋转移矩(STT)足够大,自由层的磁化方向就会改变,最后和固定层的磁化方向相同,实现了写入信息“0”。


写信息“1”:电流方向从固定层到自由层,自旋电子从自由层到固定层。


如上图(b)所示,当电子从自由层流向固定层时,电子与固定层中的磁矩发生交换耦合作用,使自旋平行于固定层磁矩的电子通过,而自旋反平行于固定层的电子被反射,固定层起到“滤波器”的作用,形成自旋电流。由于固定层较厚,磁性较强,反射电子自旋磁矩不足以使固定层中的磁矩反转。通过固定层的自旋电子越过极薄的非磁性隔离层,并与自由层磁矩发生交换耦合作用,使自由层的磁矩向着固定层磁矩方向的反方向转动。最终两铁磁层磁矩呈反平行状态,MTJ的电阻较大,STT-MRAM完成写入信息“1”。


STT-MRAM存储单元阵列通过选通栅极线和位线实现寻址,通过位线电流实现信息的读写,其特点如下:结构简单和制备工艺费用小、存储密度高、写信息的功耗小且速度快、无交叉影响。


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全球MRAM专利概况

上文提到,MRAM是一种非挥发性的磁性随机存储器技术,拥护者认为,MRAM技术速度接近SRAM,具有快闪存储器的非挥发性,容量密度及使用寿命不输DRAM,平均能耗远低于DRAM,有望成为真正的通用型内存 (Universal memory)。


基于此,很多国家、地区的企业、个人都在申请MRAM相关专利。下图,是MRAM相关专利技术的发展概况。


全球MRAM申请年度分布


从图中看出,从1990年全球开始研发MRAM技术,1990~1997年,MRAM专利申请少,技术处于萌发期。1998开始,从年申请量74不断增加,仅过5年,2002年申请量即突破1000件大关,说明1998~2002年MRAM技术取到突破,技术处于快速增长期。2003年全球MRAM专利申请达到1513件后,稍有下滑并进入平稳增长过程,说明2003年以后MRAM技术处于稳定发展期,处于不断的探索改进阶段,有待于取得新的突破性进展。


全球MRAM专利申请人及其申请量分布


主要申请人中排名前20的申请人有TOSHIBA (东芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)、SONY (索尼)、IBM、RENESAS ELECTRONICS (瑞萨电子)、SK Hynix (SK 海力士)、QUALCOMM (高通)、NEC (日本电气)、INFINEON TECHNOLOGIES (英飞凌科技)、HEWLETT-PACKARD (惠普)、TDK、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)、TSMC (台积电)、EVERSPIN TECHNOLOGY (艾尔斯宾科技公司)、 FREESCALE SEMICONDUCTOR (飞思卡尔半导体)、HEADY TECH (海德威科技公司)、SEAGATE TECHNOLOGY (希捷科技)、CANON ANELVA (佳能安内华) 、MOTOROLA (摩托罗拉)、CROCUS TECHNOLOGY (科罗库斯科技)。


其中,以TOSHIBA (东芝)的申请量最大,是第二名SAMSUNG ELECTRONICS (三星电子)的差不多两倍,占总申请量的11%,前5占总申请量的30%将近1/3,前10占总申请量的47%将近一半,前20占总申请量的62%,将近2/3,从以上前20申请人可以知道,主要申请人主要来自于日本,其次为美国,然后为韩国和中国台湾。


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全球MRAM产业公司

当前,国际上有超过20家美、日、韩、中国台湾等国家和地区的公司致力于研发MRAM产品。其中,起到推动作用的公司有IBM、Eversipin和以Samsung为代表的半导体公司。其中,IBM是MRAM的先驱和主要推动者。


MRAM产业主要公司


早在20年前,IBM的实验室就率先开展MRAM的研发工作,并在第一代astroid-MRAM和第二代STT-MRAM的研发中取得了多项突破,为MRAM的发展做出了巨大的贡献;Everspin是目前市场上唯一一家能够大批量提供商用MRAM产品的上市公司,其继承并发展了Freescale的MRAM技术。Everspin能够提供的MRAM芯片容量从128Kb到256Mb,这些存储芯片主要的应用领域集中在工业、航空航天、车用、能源与物联网等。


近年来,三星、格芯、台积电等半导体制造大厂也在加速布局STT-MRAM。它们的目标是在近期内开发出嵌入式MRAM(eMRAM)产品,不同是三星和格芯的晶体管制备倾向于采用FD-SOI工艺,而TSMC则采用FinFET工艺。随着MRAM制造技术不断趋于成熟以及市场需求的不断扩大,越来越多的公司进军MRAM领域,这将加速MRAM的产业化进程。


国内的MRAM产业仍处于起步阶段,整体实力薄弱,对全球MRAM的产业发展的贡献较少。在器件制备方面,除了2016年兆易创新斥资500万美元入股Everspin这一战略投资以外,仅有零散的几家初创公司(上海磁宇、浙江海康驰拓等)以及高校和科研院所(南京大学、北京航空航天大学、华中科技大学、中科学物理所等)开展MRAM的研发工作;在制造设备研发方面,江苏鲁汶仪器研发出8英寸MRAM刻蚀设备,支持28nm工艺节点,能够满足大学、研究所等小线的生产。该设备近期已向台湾工研院少量出货。


总体上,近20年来,在产业公司及科研机构的推动下,MRAM的发展主要历了astroid-MRAM、toggle-MRAM以及STT-MRM等3个阶段。受限于磁性隧道结架构缺陷和制造能力,2010年以前的MRAM的存储容量较小(<64Mb)。2010年以后,STT-MRAM的设计和制造技术不断趋于成熟,促进了MRAM的存储容量不断提升。STT-MRAM已经成为MRAM的主流技术路线。目前基垂直磁各向异性的磁隧道结的STT-MRAM的存储容量已经突破了1Gb,有望在今后几年实现更大规模的量产和更加广泛的应用。



MRAM的发展现状(以当年最大存储容量计)


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MRAM应用场景和市场趋势

MRAM凭借具有数据非易失性、无限次擦写、长寿命、低功耗、对软错误免疫等优点,更兼具SRAM的高速读写能力和DRAM的高集成度特点,成为缓存系统的最佳候选者之一。下面以Everspin的产品为例,介绍MRAM的主要应用场景。



MRAM的应用场景


Everspin是目前唯一一家MRAM芯片供应商,其MRAM产品已经渗透到包括计算机内存、航空航天、工业自动化、汽车电子、医疗等多个领域。


第一,在计算机内存领域,高密度的MRAM可部分替代磁硬盘。2013年Buffalo Memory公司宣布在固态硬盘SSD中采用STT-MRAM替代传统DRAM作为高速缓存。另外,2018年,IBM将 256Mb STT-MRAM芯片引入最新一代企业级SSD中。


第二,在航空航天领域,MRAM可在飞机控制系统的信息存储和处理中发挥作用。2009年,法国空客公司决定在A350 XWB飞机的飞行控制计算机中采用MRAM替代原来的SRAM和FLASH。同年,日本发射的由AAC Microtec公司设计的地球观测卫星SpriteSat将其磁强计子系统中的存储器用MRAM代替原来的SRAM和FLASH。


第三,MRAM可用于工业自动化的程序控制中。2008年西门子工业自动化事业部采用4Mb MRAM用于工业控制的人机交互界面。


第四,MRAM在高温下可靠性良好,满足汽车电子对内存产品的要求。2009年,宝马公司在摩托车发动机控制模块采用MRAM以保证数据在断电情况下不丢失。


第五,MRAM亦可以用在高可靠性医疗设备中。2018年,日企株式会社在其血液透析设备中使用4Mb和16Mb MRAM产品以记录机器性能参数和患者提升数据。



MRAM市场趋势


当下MRAM正处于快速发展阶段,更多的技术突破比如新颖的外围电路设计,多级、多核以及3D STT-MRAM存储阵列的架构、更先进的工艺制程等将使得STT-MRAM的存储密度及能量节省上将具有更大的优势,MRAM将应用在更多的场景中,其市场份额也将不断增加。


据Coughlin Associates预测,MRAM市场将会从2017年的3600万美元增长到2028年的33亿美元。不过,尽管以MRAM为代表的新型存储器市场会快速增长,但它们仅能部分取代SRAM及DRAM产品。未来DRAM和SRAM市占率将有所下降,但仍会是存储器的主流。



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*本文为芯师爷编辑,内容参考自SIMIT战略研究室、华强资讯、百度文库,部分图片来自网络,且未能核实版权归属,不为商业用途,如有侵犯,敬请作者与我们联系info@gsi24.com



 

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