一、SRAM、DRAM，以及Flash
存儲(chǔ)器是電子系統(tǒng)的重要組成部分。當(dāng)前，絕大多數(shù)電子系統(tǒng)均采用寄存、主存加硬盤的存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)（如圖1（a）），與之相對(duì)應(yīng)，靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）、動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）、閃存（Flash）或硬盤（HDD）成為實(shí)現(xiàn)這三種存儲(chǔ)體系的傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)。然而，隨著信息和納米加工技術(shù)高速發(fā)展，基于傳統(tǒng)存儲(chǔ)體系構(gòu)建的電子系統(tǒng)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面新興的移動(dòng)計(jì)算、云計(jì)算等和數(shù)據(jù)中心對(duì)數(shù)據(jù)一致性提出極高要求，傳統(tǒng)的緩存及主存一旦斷電，關(guān)鍵數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生丟失。因此，數(shù)據(jù)必須不斷備份到閃存或硬盤上，該過程嚴(yán)重影響了訪存性能。另一方面大型數(shù)據(jù)中心的能耗不斷攀升，基于電池技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)及移動(dòng)設(shè)備也因功耗及待機(jī)問題被人詬病。以上諸多挑戰(zhàn)需要新的器件、架構(gòu)設(shè)計(jì)等技術(shù)加以解決。
圖1 傳統(tǒng)存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)（a），新型“萬能存儲(chǔ)器”存儲(chǔ)體系結(jié)構(gòu)（b）
二、STT-MRAM：“萬能存儲(chǔ)器”
傳統(tǒng)存儲(chǔ)器的技術(shù)局限以及不斷縮小的制造尺寸所帶來的巨大挑戰(zhàn)促使科研人員開始尋找新一代存儲(chǔ)器件，它應(yīng)具有接近靜態(tài)存儲(chǔ)器的納秒級(jí)讀寫速度，具有動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器甚至閃存級(jí)別的集成密度和類似Flash的非易失性存儲(chǔ)特性?！叭f能存儲(chǔ)器”概念作為新一代存儲(chǔ)器的要求被提出來（如圖1（b））。自旋轉(zhuǎn)移矩—磁隨機(jī)存儲(chǔ)器器件（Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory：STT-MRAM）就是一種接近“萬能存儲(chǔ)器”要求的極具應(yīng)用潛力的下一代新型存儲(chǔ)器解決方案。
類比地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)，微觀世界的電子同時(shí)具有圍繞原子核的“公轉(zhuǎn)”軌道運(yùn)動(dòng)（電荷屬性）、電子內(nèi)稟運(yùn)動(dòng)（自旋屬性）。STT-MRAM就是一種可以同時(shí)操縱電子電荷屬性及自旋屬性的存儲(chǔ)器件。1988年，法國(guó)阿爾貝·費(fèi)爾和德國(guó)彼得·格林貝格研究員通過操縱電子自旋屬性實(shí)現(xiàn)了基于電子自旋效應(yīng)的磁盤讀頭，使磁盤容量在20年間從幾十兆比特（MB）暴增到幾太比特（TB）。他們因此獲得2007年的諾貝爾物理獎(jiǎng)。
在讀操作方面，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器一般基于隧穿磁阻效應(yīng)，在鐵磁層1/絕緣層/鐵磁層2三層結(jié)構(gòu)中，當(dāng)兩層鐵磁層磁化方向相同時(shí)，器件呈現(xiàn)“低電阻狀態(tài)”，當(dāng)兩層鐵磁層磁化方向相反時(shí)，器件呈現(xiàn)“高電阻狀態(tài)”，且兩個(gè)狀態(tài)可以相互轉(zhuǎn)化（如圖2）；在寫操作方面，基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，器件處于高阻態(tài)時(shí)，通自上而下的電流，反射的自旋多態(tài)電子會(huì)翻轉(zhuǎn)易翻轉(zhuǎn)層磁化方向，器件由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)；器件處于低阻態(tài)時(shí)，通自下而上的電流，隧穿的自旋多態(tài)電子會(huì)翻轉(zhuǎn)易翻轉(zhuǎn)層磁化方向，器件由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)。自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)已被驗(yàn)證可實(shí)現(xiàn)1納秒以下的寫操作。
圖2 TMR效應(yīng)(a)、STT-MRAM單元原理圖（b）、低態(tài)寫高態(tài)（c）、高態(tài)寫低態(tài)（d）
STT-MRAM不僅接近“萬能存儲(chǔ)器”的性能，同時(shí)由于其數(shù)據(jù)以磁狀態(tài)存儲(chǔ)，具有天然的抗輻照、高可靠性以及幾乎無限次的讀寫次數(shù)，已被美日韓等國(guó)列為最具應(yīng)用前景的下一代存儲(chǔ)器之一。美國(guó)Everspin、Honeywell公司已經(jīng)推出了其MRAM存儲(chǔ)器芯片產(chǎn)品，并被大量用于高可靠性應(yīng)用領(lǐng)域。美國(guó)IBM、Qualcomm，日本Toshiba都已開發(fā)出其大容量STT-MRAM測(cè)試芯片。韓國(guó)Samsung、SK Hynix均宣布具備了STT-MRAM的生產(chǎn)能力。美日韓等國(guó)很有可能在繼硬盤、DRAM及Flash等存儲(chǔ)芯片之后再次實(shí)現(xiàn)對(duì)我國(guó)100%的壟斷?？紤]到STT-MRAM采用了大量的新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝，加工制備難度極大，現(xiàn)階段其基本原理還不夠完善，發(fā)明專利分散在各研究機(jī)構(gòu)、公司中，專利封鎖還未完全形成，正是國(guó)內(nèi)發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)的最好時(shí)機(jī)。
三、國(guó)內(nèi)首個(gè)80納米STT-MRAM制備
近日，中科院微電子所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心趙超研究員與北京航空航天大學(xué)趙巍勝教授的聯(lián)合團(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年的攻關(guān)，成功制備國(guó)內(nèi)首個(gè)80納米自旋轉(zhuǎn)移矩—磁隨機(jī)存儲(chǔ)器器件（STT-MRAM）。
在北京市科委的大力支持下，中科院微電子所與北京航空航天大學(xué)的聯(lián)合研發(fā)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過科研攻關(guān)，在STT-MRAM關(guān)鍵工藝技術(shù)研究上實(shí)現(xiàn)了重要突破，在國(guó)內(nèi)率先采用與傳統(tǒng)CMOS工藝兼容的工藝方法和流程，成功制備出直徑為80納米的磁隧道結(jié)，器件性能良好，其中，器件核心參數(shù)包括隧穿磁阻效應(yīng)達(dá)到92%，可實(shí)現(xiàn)純電流翻轉(zhuǎn)且電流密度達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。
圖3 STT-MRAM存儲(chǔ)芯片器件原理圖
圖4 直徑80nm MTJ器件俯視圖
圖5 直徑80nm MTJ器件
圖6 TMR效應(yīng)測(cè)試結(jié)果
圖7 STT效應(yīng)測(cè)試結(jié)果