MRAM：内存的新潮流(上)

摘要： Freescale运用自旋电子技术制作了新的非易失性RAM，本文对此进行了详细介绍。

关键词： MRAM；自旋电子；位线；字线

在半导体业界，微处理器是一种更有魅力，利润更高，而且更难以设计的产品，而内存芯片在推动半导体技术向前发展的过程中则会起到关键性的作用。Intel早期的成功，来源于其1970年推出的、当时业界第一款DRAM芯片，1kb的1103。两年后，1103成为业界销售情况最好的内存芯片，在很多新的系统设计中取代了磁芯存储器。DRAM在过去的岁月中成为半导体技术发展的前沿。它还推动人们在新材料和设备方面投入大笔资金。上世纪80年代中期，NMOS技术制作的大规模DRAM(1MB或更高)的发热量过大，于是业界普遍转向低功耗的CMOS技术，发热问题也使得大型机取消了ECL电路。如今，随着晶体管继续等比例缩小，发热又成为CMOS技术的一个日益严重的问题。

Intel的发展路线图充满信心地预计未来的芯片的几何尺寸按规则的两年周期不断下降，从今年还是领先的65nm技术前进到明年的45nm，再发展到2009的32nm平台和2011年的22nm平台。工程师们作出了种种惊人的努力，以推迟CMOS晶体管的等比例缩小的终结。这些努力包括铜互连、高k和低k介质、绝缘体上硅(SOI)、应力硅、双栅晶体管等等。不过CMOS漫长的统治终将终结。现在该是找到一种能让半导体业的发展延续至2020年并跨越2020年的新技术的时候了。

自旋电子时代的来临

在对半导体新技术的追求中，技术研发者中有一大批技术人员已经站到自旋电子(即“自旋态输运电子”的简称)的阵营中来并摇旗呐喊。自旋电子学建立在电子两种自旋状态这一独特的基本特性的基础上。

电子具有质量，但它们的尺寸极小，接近于零，它们的“自旋”并非是绕空间某根轴的旋转，因为它们根本就没有轴或者其他空间的几何特征。既然自旋是某种类型的运动，而运动的带电体会产生磁场，于是电子的自旋使得电子成为微型的磁偶极子，成为自然界的一种基本磁体。自旋方向的确定可以通过电子的磁矩(N－S极对准的方向)的感测来实现。自旋可以成为实现二进制编码的物质基础——“上旋”代表0，“下旋”可以代表1，而该技术的实现，就取决于能否廉价而有效地直接测量和操控电子自旋。

研究者正在自旋电子学方面取得进展。他们已经用基于磁量子细胞自动机(magnetic quantum cellular automata，纳米级的磁体阵列)的NAND和NOR门研制出可工作的原型芯片。基于磁学的逻辑电路，至少从原理上来说有望采用比基于晶体管的逻辑电路更简单的结构。要实现一个双输入的AND门，需要6个晶体管，而同样功能的纳米电路只需将两条磁纳米线连接起来就行。不过商业化的磁逻辑器件可能直到下一个十年才有可能推出。要研制出实用化的、依靠控制基本粒子的量子态来进行工作的“量子计算机”就更加遥不可及。

不过，业界不需要等到下一个十年才去努力攫取自旋电子学的价值。与以往重要的新的半导体技术总是引入内存技术的历史发展趋势一样，基于自旋电子学原理的内存芯片现在已经出现。今年7月，Freescale Semiconductor推出了全球第一个商用化的MRAM(磁，或磁致电阻式的，随机存取芯片)，MR2A16A仅是一个4Mb器件，但它是一个开端。更大容量的MRAM芯片很快将会出现。这种技术有望将快速的、非易失性的内存嵌入到微处理器、微控制器、ASIC和系统级芯片(SoC)器件。

自旋电子器件的基本原理

最简单的MRAM存储单元可以采用一个金属三明治结构，包括两个为一个非常薄的绝缘体分割开来的迭层板结构。底层板的磁矩是固定的(“钉扎的”)，称为固定板，而顶层板的N－S极走向是双稳态式的(可变的)，被称为自由层。顶板的磁场方向可以在与底板相同和相反两个状态间切换。

由于有量子隧道效应存在，这种三明治结构中的薄绝缘层可以流过小的电流。该电流会遇上低电阻(如果两层磁体材料对准的话)或者高电阻(如果两层磁体材料磁场对准但方向相反的话)，这种通过控制两个叠放磁体的对准和反对准来改变电阻的原理被称为磁致电阻效应(即MRAM中的M)。两块极板间的间隙被称为磁隧道结(MTJ)。因为叠层中顶板具有两个相反的稳定态(对准方向)，它可以储存一个二进制的量值。该单元的对准态(低电阻)态往往指示零，它的反对准(高阻态)往往代表1。

基于磁致电阻的MRAM位单元需要分布在双层上的、相互垂直的导线栅格。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位单元本身的高度。MRAM位单元夹在两层线之间，水平位置在每个交叉点上。

基本的交叉点阵列交换架构与MRAM几乎毫无二致。为了读出一位信息，电流将流过对应的底部字线，沿着所选通的单元向上流出，逻辑电路则感应出在所连接的顶部位线上的相应电流。写入是通过向恰当的字线通电、同时让电流流过位线来实现的，电流或者形成对准方向(写入0)，或者形成反对准状态(写入1)。图1示出了一个交叉点MRAM架构。

图1 交叉点MRAM构架

MRAM的利弊

与SRAM类似的是，MRAM在读写方面都可以实现高速化，而且本身还具有极高的可靠性(磁体本质上是抗辐射的，因此MRAM本身可以免受软错误之害。)而MRAM与DRAM类似之处，就在于它是高密度的，而且还具有读取无破坏性、无需消耗能量来进行刷新等优势。(磁体不受电荷漏电之苦。)MRAM与闪存的类似之处，就在于同样是非易失性的，它还具备了写入和读取速度相同的优点，并具有承受无限多次读－写循环的能力。(在自由磁体层中来回切换的运动是电子的自旋，而电子本身永远不会磨损)。

另外一个吸引人的特色就是MRAM单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后端的金属化过程增加一两步需要光刻掩模版的工艺即可。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，这样就可以在逻辑电路上方构造规模极大的内存阵列。这样的可能性使我们可以预见到未来有望出现新型的、功能大大提升的单芯片系统这一美好前景。由于可以取代DRAM、SRAM或者闪存，MRAM可以消除处理器－内存性能之间不断扩大的差距。MRAM对于能支持线程数不断提高的多线程的处理器来说有很高的价值，因为它可以提供支持这些器件所必需的极大的带宽。

之所以这一高达500亿美元的市场置换(如果MRAM能取代所有其他的内存的话)还没有实现，是因为MRAM技术难以实现——至少难以通过一种实用化的、可靠的方式来实现。一个拦路虎是对自由板进行写入(重新改变其对准方向)所需的功率很高，因此交叉点开关架构受到连带写入问题的困扰。虽然只有所选中的位单元会承受由同时沿着字线和位线流动的电流引起的强烈的激励磁场，但沿着其中任一根线上分布的所有其他的位单元也会承受一半的切换功率，因此它们被“半选中”。理论上，“半选中”的磁场作用并未强到足以重新改变这些单元对准方向的地步，因此这些位应该毫不受影响。但在实践中，由于MRAM单元要构成大规模的阵列，在那些为数众多的“半选中”的单元中势必有可能有某一个单元的自由板要出现状态的随机翻转。

问题就在于，对写入线(字或位)线通电，可以降低这条线(位于其上方或下方)上的每个单元的切换势垒。遗憾的是，在一个MRAM阵列中的自由板没有共同的、固定的切换阈值。于是，“半选中”的单元数量越多，其中某个单元的状态接近自身阈值而出现翻转的机会就越大。要避免这个问题，就需要对阵列的布局、内存单元的构造以及导线上的电流分布进行严格而一致性的控制，而这种控制的严格性和一致性的程度是难以实现的。于是，可望实用化的交叉点阵列，只能用于实现没有什么吸引力的小规模的存储之中。

另外，交叉点阵列还会遇到不易扩展的问题。在等比例缩小时，交叉点间的距离缩短，而相邻单元间的磁场的交叠就愈加严重，同样会由于邻近单元间相互影响而导致的错误的状态翻转。于是，在实践中，交叉点阵列间的尺寸长度不能超过一定的限度，而当前的半导体集成电路则早已突破了这一尺寸极限值。

对于简单的铁磁性的三明治结构和基本的交叉阵列来说，上述弊病的解决之道是更为复杂的自旋电子结构。一个将工作性大大提高的设计是“旋档切换开关(toggle-mode switching)”，这也就是Freescale最近推出的4Mb MRAM，MR2A16A所采用的结构。作为第一种投入批量生产的MRAM产品，这款芯片值得仔细研究一番。