各种MRAM的技术路径，MRAM的挑战和前景
八月初，包括博览会在内的年度存储盛会fms在美国圣克拉拉会议中心举行。许多业界领先的存储巨头展示了他们的最新产品，也分享了未来的看法和观点。在techinsights对于会议总结的十个和存储芯片有关的重要的结论中[1]，一条关于新型存储的结论引起关注：磁性随机存储器（mram）在嵌入式设备中越来越普遍。
上述结论可以看出业界巨头对于mram在目前展现出的增长势头的肯定以及对于未来使用前景的正面预测。事实上不仅是停留在形势分析上，各大芯片厂商对于mram的布局，研发以及生产都在如火如荼地展开。在semianalysis重建的存储产品历史时间线中[2]，mram被超过十次的密集提到，次数甚至超过其余新型存储技术的总和。在2019年，所有领先的晶圆代工厂都在生产嵌入式mram（emram）。这些都表明各大芯片厂商对于mram的信心。
本文旨在讨论各种mram的技术路径，其中包括磁场驱动型、自旋转移扭矩（spin-transfer torque：stt）、自旋轨道扭矩（spin-orbit torque：sot）、电压控制磁各向异性（voltage controlled magnetic annisotropy：vcma）mram的挑战和前景。
01 磁性随机存储器(mram)
如今，存储器产业已经趋于成熟，动态随机存储器(dynamic random access memory，dram)，和flash存储器两者分别占据了存储器商业化市场58%和41%的份额。静态随机存储器(static random access memory，sram)具备高速读写速度，并且其对数据保存的功耗要求很低。然而，由于它的大单元尺寸(一个典型的sram存储单元需要6个晶体管)限制了它的高密度存储的应用场景，因此常常应用在只对速度要求高而对容量要求不苛刻的高速缓存中。
dram因其较为简单的存储单元构成(一个典型dram存储单元仅需要一个晶体管和一个存储电容)，因此提供了比sram更密集的存储架构，但伴随着嵌入式过程的复杂性，同时，由于存储电容存在电荷泄露问题，dram必须在规定时间间隔内刷新电容器以保持数据的有效性，因此不具备非易失性，同时伴随着高功耗的困扰。与sram和dram相比，闪存flash最大的优势是提供了非易失性的大容量数据存储，断电后数据信息可以维持。flash具有较高的密度，但是其读写速度较慢，写耐久性有限，同时还需要复杂的电容器制造工艺，因此往往用作有大容量存储需求，但对速度要求不高的硬盘等存储设备。
为了解决这些传统存储器的缺陷，多种新型存储器被提出。这些新型存储器包括：阻变随机存储器（rram），磁阻随机存储器（mram），铁电随机存储器（fram），相变随机存储器（pcm）。图1列出了几种存储器的参数指标，其中mram与其他存储技术相比，以具有高密度、高性能、几乎零待机功率和优异耐久性的优势被认为是新兴存储技术中最有前途的候选技术之一。
图1：mram与其他存储器性能的对比图。其中绿色、红色和黄色分别表示相应存储技术的理想、不理想和中间性能。
磁随机存储器记录数据是利用磁性隧道结（mtj）的磁化特性。由外场、电流或电压驱动使得自由层中磁矩的方向发生翻转，变成与参考层中磁矩方向相反或平行，形成高低阻态，实现二进制中的“1”和“0”态来存储数据，读时可以测量隧道结的电阻值来获取信息。通过外磁场实现自由层中磁矩翻转的为第一代mram，叫做磁场的驱动型mram；通过通入垂直于隧道结的电流使得磁矩发生翻转的为第二代mram，叫自旋转移矩mram（stt-mram）；第三代mram技术分为两种，分别为通过在重金属层中通入面内电流使得磁矩发生翻转的叫自旋轨道矩mram（sot-mram）和通过施加电压改变磁各向异性使得磁矩发生翻转的叫做压控磁各向异性mram（vcma-mram或meram）。
02 磁性隧道结（mtj）
mram信息的读取是基于隧穿磁电阻效应（tunneling magnetoresistance effect, tmr）。tmr是源于磁隧道结中（magnetic tunnel junction, mtj）两层铁磁层的磁化强度方向的相对变化，如图2所示：其中一个铁磁层作为参考，其磁化强度固定在一个方向；另外一个铁磁层作为自由层，其磁矩可以在平行于参考层方向也可以在反平行于参考层方向。
当参考层和自由层的磁化强度平行排列时，电子隧穿几率最大，tmr较低，mtj处于低阻态，其电阻为“1”态；当参考层和自由层的磁化强度反平行排列时，电子隧穿几率最小，tmr较高，mtj处于高阻态，其电阻为“0”态。为了实现数据的“1”、“0”的二进制存储，mtj 成为了任何mram的必不可少的基本组成部分。
图2 磁性隧道结(mtj)的基本结构
03 第一代mram
磁场驱动型mram
第一代mram是利用电流产生的磁场对mtj中自由层的磁矩进行翻转，进而实现信息的写入。因为这类mram的信息写入是靠磁场来实现的，所以这类mram又叫做磁场驱动型mram。如图3所示，每一个信息存储单元上、下各有一条写入导线，两条导线相互垂直。在写入时，向两根导线内通入电流，当通电导线相交的地方（图4）的磁场场足够大时，就可以将mtj中自由层的磁矩翻转，进而改变mtj的电阻状态实现信息的写入[3]。
但是对于磁场驱动型mram却存在众多缺点：首先，需要很大的电流产生足够大的磁场来翻转mtj中自由层的磁矩。在这种情况下，如果进一步增加存储密度，就会导致所需要的电流密度增加，使得信息写入效率降低。其次，当存储单元的尺寸缩小时，在对一个存储单元进行信息写入时会导致相邻的存储单元也会感应到磁场的作用，导致信息的错误写入或信息存储的不稳定。为了解决这些问题，第二代基于自旋转移矩驱动的mram 应运而生。
图3 磁场驱动型mram的器件示意图
图4 磁场驱动型mram阵列的俯视图，突出显示中心的全选位(红色)和沿载流写入线的1/2选位(蓝色)。在磁场驱动型mram中，所有位相对于写线的方向是45°。摘自[3]。
04 第二代mram
stt-mram
自旋转移矩磁随机存储器是利用自旋转移矩效应设计的器件，具有耗能少、高密度、非易失性、可扩展性、兼容性、持久性等优点，因而成为第二代mram。相比于第一代mram，stt-mram减少了字线，大大降低了制作存储器的难度（图5）。在stt-mram 中，电流流经mtj中的参考层时，会使得电子的自旋方向沿一个方向极化进而产生自旋极化电流，然后自旋极化电流通过mtj的自由层时，会将自身的自旋角动量转移给自由层的电子，转移的角动量以力矩的形式表现出来，即自旋转移矩（spin transfer torque, stt），并作用在自由层磁矩上，如果自旋角动量足够大时就可以实现自由层磁矩方向的翻转。
stt-mram是一种由电流驱动磁矩翻转的器件，减少了由磁场驱动磁矩翻转而带来的诸多麻烦。在读取信息时stt-mram需要的电流较小。随着存储器件越来越小，对磁隧道结的尺寸要求越来越苛刻，当隧道结小到纳米量级时，磁场驱动型mram由于边缘效应的增大会需要更大的磁场来驱动磁矩的翻转，但对于stt-mram驱动磁矩翻转所需的电流却会随隧道结的减小而减小。
虽然 stt-mram 和磁场驱动型mram相比优势很多，但其仍存在缺陷。stt作用由于存在初始延迟现象，降低了磁矩的翻转速度，要想取得高速翻转，可以减小自由层厚度或者增大通入隧道结的电流，但电流的增大会破坏隧道结中的势垒层。为了提高存储速度，研究者采用了不同的办法和途径，基于两种不同技术的第三代mram也出现在人们的视线中。
图5 基于垂直型stt-mram的器件示意图
05 第三代mram
sot-mram
相比于stt-mram的两端式读/写方法，sot-mram采用的是三端式读/写方法：两个写入端和一个读取端，如图6所示。其中读取路径和写入路径是相互独立且相互垂直的，写入的时候电流不通过势垒层，读的时候电流通过势垒层，这样大大降低了电流对隧道结中势垒层的破坏。读写互不干扰且可以分别对写入路径和读取路径进行优化，实现更小、更快、更高效、更稳定的存储。对于sot-mram而言，其信息的读取主要靠的还是mtj，sot-mram信息的写入端是由一层重金属层构成，重金属层与mtj中的自由层相接触。重金属因为其原子序数较大，所以其自旋轨道耦合（spin-orbit coupling, soc）作用也较强，可以将通入其中的电荷流转换为纯的自旋流并注入到mtj的自由层中，对磁矩或者磁畴壁施加自旋轨道矩的作用实现磁矩翻转完成信息的写入。
sot-mram仍然存在一个主要缺点：面积消耗。具有柱状结构的 stt-mram是一种两端器件，但sot-mram是一种三端器件—将两个晶体管合并到一个单元中和一个相对较大的选择器晶体管（以适应写入所需的相对较大的电流需要）。
图6 基于垂直型sot-mram的器件示意图
06 第三代mram
meram
压控磁各向异性mram（vcma-mram或meram）被认为是另一种第三代mram。如图7,stt-mram和meram使用相似的器件结构和数据存储机制，但是他们的状态翻转方式天差地别。stt-mram存储单元的写入是通过电流执行的，而meram使用电场进行写入操作——这大大降低了能耗。将自由层从平行状态切换到反平行状态（反之亦然）需要两个基本组件：一个电压（穿过隧道势垒）以消除能量势垒，以及一个外部面内用于磁矩翻转的磁场。
meram在近年来的mram研究中具有重要的吸引力。一方面，作为一种写入机制，其功耗比所有其他新型存储技术低几个数量级（降到飞焦/比特）。另一方面，meram通过降低mtj两种磁化状态之间的能量势垒，实现了媲美sot-mram的写入速度（几百皮秒），比stt-mram快一个数量级以上。此外，由于不需要电流，势垒层可以比stt/sot-mram做得更厚，以抑制写入能量和势垒层的破坏，所以耐久性会非常高。电压驱动机制还带来了其他优点，如高密度，由于数据写入操作所需的驱动电流密度降低，可以减少接入晶体管的尺寸。meram融合了低功耗、高速、高密度等优点，有望成为新型存储器中黑马。
图7 基于垂直型meram的器件示意图
参考资料 [1]https://www.techinsights.com/blog/review-and-things-know-flash-memory-summit-2022 [2]https://semianalysis.com/the-history-and-timeline-of-flash-memory/ [3]åkerman, johan. toward a universal memory. science 308.5721 (2005): 508-510.
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dram因其较为简单的存储单元构成(一个典型dram存储单元仅需要一个晶体管和一个存储电容)，因此提供了比sram更密集的存储架构，但伴随着嵌入式过程的复杂性，同时，由于存储电容存在电荷泄露问题，dram必须在规定时间间隔内刷新电容器以保持数据的有效性，因此不具备非易失性，同时伴随着高功耗的困扰。与sram和dram相比，闪存flash最大的优势是提供了非易失性的大容量数据存储，断电后数据信息可以维持。flash具有较高的密度，但是其读写速度较慢，写耐久性有限，同时还需要复杂的电容器制造工艺，因此往往用作有大容量存储需求，但对速度要求不高的硬盘等存储设备。
为了解决这些传统存储器的缺陷，多种新型存储器被提出。这些新型存储器包括：阻变随机存储器（rram），磁阻随机存储器（mram），铁电随机存储器（fram），相变随机存储器（pcm）。图1列出了几种存储器的参数指标，其中mram与其他存储技术相比，以具有高密度、高性能、几乎零待机功率和优异耐久性的优势被认为是新兴存储技术中最有前途的候选技术之一。
图1：mram与其他存储器性能的对比图。其中绿色、红色和黄色分别表示相应存储技术的理想、不理想和中间性能。
磁随机存储器记录数据是利用磁性隧道结（mtj）的磁化特性。由外场、电流或电压驱动使得自由层中磁矩的方向发生翻转，变成与参考层中磁矩方向相反或平行，形成高低阻态，实现二进制中的“1”和“0”态来存储数据，读时可以测量隧道结的电阻值来获取信息。通过外磁场实现自由层中磁矩翻转的为第一代mram，叫做磁场的驱动型mram；通过通入垂直于隧道结的电流使得磁矩发生翻转的为第二代mram，叫自旋转移矩mram（stt-mram）；第三代mram技术分为两种，分别为通过在重金属层中通入面内电流使得磁矩发生翻转的叫自旋轨道矩mram（sot-mram）和通过施加电压改变磁各向异性使得磁矩发生翻转的叫做压控磁各向异性mram（vcma-mram或meram）。
02 磁性隧道结（mtj）
mram信息的读取是基于隧穿磁电阻效应（tunneling magnetoresistance effect, tmr）。tmr是源于磁隧道结中（magnetic tunnel junction, mtj）两层铁磁层的磁化强度方向的相对变化，如图2所示：其中一个铁磁层作为参考，其磁化强度固定在一个方向；另外一个铁磁层作为自由层，其磁矩可以在平行于参考层方向也可以在反平行于参考层方向。
当参考层和自由层的磁化强度平行排列时，电子隧穿几率最大，tmr较低，mtj处于低阻态，其电阻为“1”态；当参考层和自由层的磁化强度反平行排列时，电子隧穿几率最小，tmr较高，mtj处于高阻态，其电阻为“0”态。为了实现数据的“1”、“0”的二进制存储，mtj 成为了任何mram的必不可少的基本组成部分。
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磁场驱动型mram
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但是对于磁场驱动型mram却存在众多缺点：首先，需要很大的电流产生足够大的磁场来翻转mtj中自由层的磁矩。在这种情况下，如果进一步增加存储密度，就会导致所需要的电流密度增加，使得信息写入效率降低。其次，当存储单元的尺寸缩小时，在对一个存储单元进行信息写入时会导致相邻的存储单元也会感应到磁场的作用，导致信息的错误写入或信息存储的不稳定。为了解决这些问题，第二代基于自旋转移矩驱动的mram 应运而生。
图3 磁场驱动型mram的器件示意图
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stt-mram
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stt-mram是一种由电流驱动磁矩翻转的器件，减少了由磁场驱动磁矩翻转而带来的诸多麻烦。在读取信息时stt-mram需要的电流较小。随着存储器件越来越小，对磁隧道结的尺寸要求越来越苛刻，当隧道结小到纳米量级时，磁场驱动型mram由于边缘效应的增大会需要更大的磁场来驱动磁矩的翻转，但对于stt-mram驱动磁矩翻转所需的电流却会随隧道结的减小而减小。
虽然 stt-mram 和磁场驱动型mram相比优势很多，但其仍存在缺陷。stt作用由于存在初始延迟现象，降低了磁矩的翻转速度，要想取得高速翻转，可以减小自由层厚度或者增大通入隧道结的电流，但电流的增大会破坏隧道结中的势垒层。为了提高存储速度，研究者采用了不同的办法和途径，基于两种不同技术的第三代mram也出现在人们的视线中。
图5 基于垂直型stt-mram的器件示意图
05 第三代mram
sot-mram
相比于stt-mram的两端式读/写方法，sot-mram采用的是三端式读/写方法：两个写入端和一个读取端，如图6所示。其中读取路径和写入路径是相互独立且相互垂直的，写入的时候电流不通过势垒层，读的时候电流通过势垒层，这样大大降低了电流对隧道结中势垒层的破坏。读写互不干扰且可以分别对写入路径和读取路径进行优化，实现更小、更快、更高效、更稳定的存储。对于sot-mram而言，其信息的读取主要靠的还是mtj，sot-mram信息的写入端是由一层重金属层构成，重金属层与mtj中的自由层相接触。重金属因为其原子序数较大，所以其自旋轨道耦合（spin-orbit coupling, soc）作用也较强，可以将通入其中的电荷流转换为纯的自旋流并注入到mtj的自由层中，对磁矩或者磁畴壁施加自旋轨道矩的作用实现磁矩翻转完成信息的写入。
sot-mram仍然存在一个主要缺点：面积消耗。具有柱状结构的 stt-mram是一种两端器件，但sot-mram是一种三端器件—将两个晶体管合并到一个单元中和一个相对较大的选择器晶体管（以适应写入所需的相对较大的电流需要）。
图6 基于垂直型sot-mram的器件示意图
06 第三代mram
meram
压控磁各向异性mram（vcma-mram或meram）被认为是另一种第三代mram。如图7,stt-mram和meram使用相似的器件结构和数据存储机制，但是他们的状态翻转方式天差地别。stt-mram存储单元的写入是通过电流执行的，而meram使用电场进行写入操作——这大大降低了能耗。将自由层从平行状态切换到反平行状态（反之亦然）需要两个基本组件：一个电压（穿过隧道势垒）以消除能量势垒，以及一个外部面内用于磁矩翻转的磁场。
meram在近年来的mram研究中具有重要的吸引力。一方面，作为一种写入机制，其功耗比所有其他新型存储技术低几个数量级（降到飞焦/比特）。另一方面，meram通过降低mtj两种磁化状态之间的能量势垒，实现了媲美sot-mram的写入速度（几百皮秒），比stt-mram快一个数量级以上。此外，由于不需要电流，势垒层可以比stt/sot-mram做得更厚，以抑制写入能量和势垒层的破坏，所以耐久性会非常高。电压驱动机制还带来了其他优点，如高密度，由于数据写入操作所需的驱动电流密度降低，可以减少接入晶体管的尺寸。meram融合了低功耗、高速、高密度等优点，有望成为新型存储器中黑马。
图7 基于垂直型meram的器件示意图
参考资料 [1]https://www.techinsights.com/blog/review-and-things-know-flash-memory-summit-2022 [2]https://semianalysis.com/the-history-and-timeline-of-flash-memory/ [3]åkerman, johan. toward a universal memory. science 308.5721 (2005): 508-510.
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