一.MRAM簡介

磁隨機(jī)存儲(chǔ)器(Magnetic random access memory，MRAM)是一種利用讀取磁阻大小為原理的新型非易失性(Non-Volatile)隨機(jī)存儲(chǔ)器之一(圖1)。與其他存儲(chǔ)技術(shù)相比(表1)，MRAM在速度、面積、寫入次數(shù)和功耗方面能夠達(dá)到較好的折中，因此被業(yè)界認(rèn)為是構(gòu)建下一代非易失性緩存和主存的潛在存取器件之一。

表1 各類存儲(chǔ)器的性能比較

(一)磁隧道結(jié)及隧穿磁阻效應(yīng)

MRAM性能的提升，得益于磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)的隧穿磁阻(Tunnel Magnetoresistance，TMR)值不斷提高。磁隧道結(jié)是MRAM的基本存儲(chǔ)單元，其核心部分是由兩個(gè)鐵磁金屬層(典型厚度為1~2.5nm)夾著一個(gè)隧穿勢壘層(絕緣材料，典型厚度為1~1.5nm)構(gòu)成類似于三明治結(jié)構(gòu)的納米多層膜(圖2)。其中一個(gè)鐵磁層被稱為參考層(Reference Layer)或固定層(Pinned Layer)，它的磁化沿易磁化軸方向固定不變。另一個(gè)鐵磁層被稱為自由層(Free Layer)，它的磁化有兩個(gè)穩(wěn)定的取向，分別與參考層平行或反平行，這將使磁隧道結(jié)處于低阻態(tài)或高阻態(tài)，該現(xiàn)象被稱為隧穿磁阻效應(yīng)。兩個(gè)阻態(tài)可分別代表二進(jìn)制數(shù)據(jù)“0”和“1”，是MRAM存儲(chǔ)的基本原理。隧穿磁阻效應(yīng)可以用自旋相關(guān)隧穿理論予以解釋，如圖3所示，對于鐵磁金屬，自旋向上和自旋向下的電子態(tài)在費(fèi)米能級(jí)附近分布不均衡。當(dāng)參考層與自由層磁化方向一致時(shí)，兩層鐵磁材料中處于多數(shù)態(tài)的電子自旋方向相同，隧穿概率較高，隧穿電流較大，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)低阻態(tài);反之，磁隧道結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)。

圖3 自旋電子隧穿原理

隧穿磁阻效應(yīng)最早于1975年由法國學(xué)者Julliere在低溫下成功觀測，但在當(dāng)時(shí)并未引起較多的關(guān)注，此后的研究進(jìn)展也極其緩慢，原因是當(dāng)時(shí)的工藝水平難以制備出高質(zhì)量的納米薄膜。

如圖4所示，直到1995年，日本東北大學(xué)Miyazaki與美國MIT Moodera兩個(gè)研究小組分別成功獲得了室溫下的隧穿磁阻效應(yīng)，他們制備的磁隧道結(jié)以Al2O3作為勢壘，TMR值分別為11.8%和18%。這一成果重新喚起了人們對隧穿磁阻效應(yīng)的研究熱情。隨后，為進(jìn)一步推動(dòng)磁隧道結(jié)在硬盤磁頭和MRAM(室溫下需要約150%或更高的TMR值)領(lǐng)域的應(yīng)用，學(xué)術(shù)界進(jìn)行了大量探索以獲取更高的TMR值。2001年，Butler和Mathon等人從理論上預(yù)言，若將磁隧道結(jié)的勢壘由無定形態(tài)的Al2O3替換為單晶MgO，將獲得更高的TMR值(理論預(yù)測可達(dá)1000%)，原因是MgO晶格的對稱性對隧穿電子的波函數(shù)具有篩選作用，該機(jī)制對TMR產(chǎn)生了額外的貢獻(xiàn)。這一理論預(yù)言在2004年得到了證實(shí)：IBM實(shí)驗(yàn)室的Parkin等人和日本AIST研究所的Yuasa等人分別成功制備了采用單晶MgO勢壘的磁隧道結(jié)，室溫TMR值達(dá)到200%左右。此后，基于單晶MgO勢壘的磁隧道結(jié)的室溫TMR實(shí)驗(yàn)值不斷提高，一度(2008年)達(dá)到604%。當(dāng)前主流的磁隧道結(jié)均采用單晶MgO作為勢壘層。

(二)MRAM的分類及發(fā)展歷程

基于TMR和巨大隧穿磁阻(Giant TRM，TMR>100%)效應(yīng)，總共衍生出兩代主要的MRAM器件類型(圖5)：第一代是磁場驅(qū)動(dòng)型MRAM，即通過電流產(chǎn)生的磁場驅(qū)動(dòng)存儲(chǔ)單元的磁矩進(jìn)行寫入操作，典型代表有星型MRAM(astroid-MRAM)和嵌套型MRAM(toggle-MRAM);第二代是電流驅(qū)動(dòng)型自旋轉(zhuǎn)移矩MRAM(Spin Transfer Torque MRAM，STT-MRAM)，即通過極化電流對存儲(chǔ)單元進(jìn)行寫入操作。

1. astroid-MRAM和toggle-MRAM

MRAM的寫入操作通過磁隧道結(jié)中自由層的磁化翻轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。早期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最簡單的MRAM模型之一是交叉點(diǎn)型MRAM，它的寫操作受到星形線的限制，所以也稱為astroid-MRAM，其電路結(jié)構(gòu)如圖6所示，磁隧道結(jié)置于字線(Digit Line)和位線(Bit Line)的交叉處，字線和位線分別沿著自由層的難磁化軸和易磁化軸方向。寫入時(shí)，被選中的磁隧道結(jié)的字線和位線分別通入電流以產(chǎn)生互相垂直的兩個(gè)磁場，它們的大小均不足以使自由層完成磁化翻轉(zhuǎn)，但二者能夠?qū)⒈舜朔较蛏系某C頑場大小降低至所產(chǎn)生的磁場以下，因此，只有交叉處的磁隧道結(jié)能夠完成狀態(tài)的寫入。這種寫入方式要求位線(或字線)產(chǎn)生的磁場足夠大以至于能夠有效地減小字線方向上(或位線方向上)的矯頑場，但同時(shí)也要足夠小以避免同一條位線(或字線)上的其余磁隧道結(jié)被誤寫入(半選干擾問題)，由于工藝偏差的存在，會(huì)產(chǎn)生讀寫錯(cuò)誤，所允許寫入的磁場范圍非常有限。

為了克服星形線的約束，F(xiàn)reescale提出一種被稱為toggle的改進(jìn)型磁場寫入方式，基于這種寫入方式的磁隧道結(jié)采用合成反鐵磁結(jié)構(gòu)的自由層，如圖7(a)所示，將自由層的難(易)磁化軸與寫入磁場呈45°放置，如圖7(b)所示，則單獨(dú)的一個(gè)寫入磁場無法使自由層完成磁化翻轉(zhuǎn)，從而避免了“半選干擾”問題，也擴(kuò)展了寫入磁場的可操作范圍。基于這種toggle寫入方式，F(xiàn)reescale成功推出第一款4Mb的toggle-MRAM商用產(chǎn)品。除了toggle寫入方式之外，學(xué)術(shù)界還曾提出利用熱輔助以改善MRAM的寫入性能(圖7(c))。這種寫入方式只需要一個(gè)外加磁場，能夠解決“半選干擾”問題，功耗和可靠性都有所改善。雖然熱輔助式MRAM在一定程度上克服了星形線帶來的限制，然而于此同時(shí)也帶來了器件集成工藝上的復(fù)雜性，此外由于熱處理需要專門的配套工藝，考慮到熱導(dǎo)率等因素的限制，材料的選擇也受到一定程度的限制。

熱輔助式MRAM和toggle-MRAM都不能從根本上克服磁場寫入方式存在著3個(gè)固有缺陷：1)需要毫安級(jí)的寫入電流，功耗較高;2)隨著工藝尺寸的減小，寫入電流將急劇增大，難以在納米級(jí)磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用;3)需要較長的載流金屬線產(chǎn)生磁場，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高。這些缺點(diǎn)限制了MRAM的應(yīng)用前景，因此，以純電學(xué)方式完成磁化翻轉(zhuǎn)，成為當(dāng)時(shí)MRAM研究人員追求的重要目標(biāo)。

2. STT-MRAM

1996年，Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，其基本原理如圖8(a)所示，當(dāng)電流從參考層流向自由層時(shí)，首先獲得與參考層磁化方向相同的自旋角動(dòng)量，該自旋極化電流進(jìn)入自由層時(shí)，與自由層的磁化相互作用，導(dǎo)致自旋極化電流的橫向分量被轉(zhuǎn)移，由于角動(dòng)量守恒，被轉(zhuǎn)移的橫向分量將以力矩的形式作用于自由層，迫使它的磁化方向與參考層接近， 該力矩被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩。同理， 對于相反方向的電流，參考層對自旋的反射作用使自由層磁化獲得相反的力矩，因此，被寫入的磁化狀態(tài)由電流方向決定。

自旋轉(zhuǎn)移矩依靠電流實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，寫入電流密度大概在106~107A/cm2之間，而且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小，克服了傳統(tǒng)磁場寫入方式的缺點(diǎn)，因而被廣泛認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)磁隧道結(jié)的純電學(xué)寫入方式的最佳候選。隨著自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)以及材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的STT-MRAM器件應(yīng)運(yùn)而生。自從自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)被證實(shí)以來，一方面研究人員通過大量的努力嘗試降低磁化反轉(zhuǎn)的臨界電流，增加熱穩(wěn)定性;另一方面Sony、Hitachi、Renesas、Crocus、Toshiba、Samsung、Hynix、IBM等多家公司也在積極研發(fā)STT-MRAM。2005年，Sony公司基于CoFeB/MgO/CoFeB 磁隧道結(jié)首次制備了4Kb的STT-MRAM演示芯片。隨后，Toshiba、Everspin、NEC、Hynix、Hitachi和日本東北大學(xué)也分別制備出STT-MRAM樣片。

早期的磁隧道結(jié)采用面內(nèi)磁各向異性(In-Plane Magnetic Anisotropy)。它存在如下兩個(gè)弊端：1)隨著工藝減小，熱穩(wěn)定性惡化。采用面內(nèi)磁各向異性磁隧道結(jié)的存儲(chǔ)壽命取決于熱穩(wěn)定性勢壘和磁各向異性場，面內(nèi)磁各向異性的是薄膜平面較大的長寬比。隨著工藝尺寸的微縮(<50nm)，這種薄膜的邊際效應(yīng)加劇，會(huì)產(chǎn)生顯著的磁渦旋態(tài)，難以保持較高的熱穩(wěn)定性勢壘，甚至穩(wěn)定的磁化也無法存在，這將限制MRAM的存儲(chǔ)密度;其次，面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結(jié)降低了自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率。

解決上述兩個(gè)弊端的有效途徑是使用垂直磁各向異性(Perpendicular Magnetic Anisotropy)的磁隧道結(jié)，如圖9所示。垂直磁各向異性避免了磁渦旋態(tài)在薄膜邊緣的形成，在納米尺度下亦可獲得較高的各向異性場和熱穩(wěn)定性勢壘，從而提高存儲(chǔ)密度。而且，若采用垂直磁各向異性，則自旋轉(zhuǎn)移矩所需的臨界翻轉(zhuǎn)電流直接正比于熱穩(wěn)定性勢壘。因此，對于相同的熱穩(wěn)定性勢壘，垂直磁各向異性能夠使磁隧道結(jié)的臨界翻轉(zhuǎn)電流比面內(nèi)磁各向異性的更低，相應(yīng)地，自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率更高。鑒于上述優(yōu)勢，研究人員也一直致力于采用垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

2002年，Nishimura等人首次制備了具有垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)，它的結(jié)構(gòu)為TbFeCo/CoFe/Al2O3/CoFe/GdFeCo，寫入方式為磁場驅(qū)動(dòng)。2006年，Mangin等人首次在Co/Ni金屬多層膜中同時(shí)實(shí)現(xiàn)了垂直磁各向異性和自旋轉(zhuǎn)移矩驅(qū)動(dòng)的磁化翻轉(zhuǎn)。2008年，Toshiba采用TbCoFe/CoFeB/MgO/CoFeB/TbCoFe結(jié)構(gòu)制備了具有垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)，并且實(shí)現(xiàn)了自旋轉(zhuǎn)移矩寫入，但由于退火不充分導(dǎo)致MgO未完全呈現(xiàn)單晶態(tài)，該磁隧道結(jié)的TMR值僅有15%。2010年，BM研制了基于MgO勢壘垂直各向異性磁隧道結(jié)的4Kb容量的STT-MRAM測試芯片。同年，Hitach制備了基于自旋轉(zhuǎn)移矩寫入的垂直磁各向異性磁隧道結(jié)，其結(jié)構(gòu)為Ta/CoFeB/MgO/CoFeB/Ta，該磁隧道結(jié)兼具較高的熱穩(wěn)定性、較大的TMR值，以及較低的臨界翻轉(zhuǎn)電流，幾乎獲得了當(dāng)時(shí)最優(yōu)的性能。

此后，垂直磁各向異性磁隧道結(jié)的尺寸持續(xù)縮小以效降低臨界電流密度。這樣與之匹配的半導(dǎo)體CMOS電路的晶體管尺寸也能做的更小，從而節(jié)省了空間，得以提高存儲(chǔ)密度。2011年，Samsung報(bào)道了短軸長度僅為17nm的垂直磁各向異性磁隧道結(jié)。該尺寸的磁性隧道結(jié)的成功制備證明了基于垂直各向異性的磁性隧道結(jié)的MRAM，可以于半導(dǎo)體工藝22nm節(jié)點(diǎn)相融合。2016年IBM和Samsung合作展示了直徑為11nm的垂直磁各向異性磁隧道結(jié)，可以與半導(dǎo)體工藝14nm節(jié)點(diǎn)相匹配。同年，IMEC展示了世界上最小的垂直磁各向異性磁隧道結(jié)，其直徑僅為8nm，兼容半導(dǎo)體工藝10nm節(jié)點(diǎn)以下。由于采用 “1晶體管+1pMTJ”設(shè)計(jì)(圖10)的pSTT-MRAM結(jié)構(gòu)簡單，集成度高，因而更具有市場競爭力。

目前，最新的低功耗、大容量的MRAM器件均采用垂直磁各向異性磁隧道結(jié)，比如Everspin已推出的256Mb STT-MRAM商用產(chǎn)品以及展示的1Gb演示器件采用的就是垂直磁各向異性磁隧道結(jié)。除了Everspin以外，IBM、Spin Transfer Technologies、Qaulcomm、Samsung等公司也正在研發(fā)pSTT-MRAM器件產(chǎn)品。