一、SRAM、DRAM，以及Flash

存儲器是電子系統(tǒng)的重要組成部分。當前，絕大多數(shù)電子系統(tǒng)均采用寄存、主存加硬盤的存儲體系結(jié)構(gòu)（如圖1（a）），與之相對應，靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）、動態(tài)隨機存儲器（DRAM）、閃存（Flash）或硬盤（HDD）成為實現(xiàn)這三種存儲體系的傳統(tǒng)存儲技術(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)。一方面新興的移動計算、云計算等和數(shù)據(jù)中心對數(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)及移動設備也因功耗及待機問題被人詬病。以上諸多挑戰(zhàn)需要新的器件、架構(gòu)設計等技術(shù)加以解決。

圖1 傳統(tǒng)存儲體系結(jié)構(gòu)（a），新型“萬能存儲器”存儲體系結(jié)構(gòu)（b）

二、STT-MRAM：“萬能存儲器”

傳統(tǒng)存儲器的技術(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器件，它應具有接近靜態(tài)存儲器的納秒級讀寫速度，具有動態(tài)存儲器甚至閃存級別的集成密度和類似Flash的非易失性存儲特性?！叭f能存儲器”概念作為新一代存儲器的要求被提出來（如圖1（b））。自旋轉(zhuǎn)移矩—磁隨機存儲器器件（Spin Transfer Torque - Magnetic RandomAccess Memory：STT-MRAM）就是一種接近“萬能存儲器”要求的極具應用潛力的下一代新型存儲器解決方案。

類比地球的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)，微觀世界的電子同時具有圍繞原子核的“公轉(zhuǎn)”軌道運動（電荷屬性）、電子內(nèi)稟運動（自旋屬性）。STT-MRAM就是一種可以同時操縱電子電荷屬性及自旋屬性的存儲器件。1988年，法國阿爾貝·費爾和德國彼得·格林貝格研究員通過操縱電子自旋屬性實現(xiàn)了基于電子自旋效應的磁盤讀頭，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。

在讀操作方面，磁隨機存儲器一般基于隧穿磁阻效應，在鐵磁層1/絕緣層/鐵磁層2三層結(jié)構(gòu)中，當兩層鐵磁層磁化方向相同時，器件呈現(xiàn)“低電阻狀態(tài)”，當兩層鐵磁層磁化方向相反時，器件呈現(xiàn)“高電阻狀態(tài)”，且兩個狀態(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，器件處于高阻態(tài)時，通自上而下的電流，反射的自旋多態(tài)電子會翻轉(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，通自下而上的電流，隧穿的自旋多態(tài)電子會翻轉(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)移矩效應已被驗證可實現(xiàn)1納秒以下的寫操作。

圖2 TMR效應(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“萬能存儲器”的性能，同時由于其數(shù)據(jù)以磁狀態(tài)存儲，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)，已被美日韓等國列為最具應用前景的下一代存儲器之一。美國Everspin、Honeywell公司已經(jīng)推出了其MRAM存儲器芯片產(chǎn)品，并被大量用于高可靠性應用領(lǐng)域。美國IBM、Qualcomm，日本Toshiba都已開發(fā)出其大容量STT-MRAM測試芯片。韓國Samsung、SK Hynix均宣布具備了STT-MRAM的生產(chǎn)能力。美日韓等國很有可能在繼硬盤、DRAM及Flash等存儲芯片之后再次實現(xiàn)對我國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構(gòu)、公司中，專利封鎖還未完全形成，正是國內(nèi)發(fā)展該項技術(shù)的最好時機。

三、國內(nèi)首個80納米STT-MRAM制備

近日，中科院微電子所集成電路先導工藝研發(fā)中心趙超研究員與北京航空航天大學趙巍勝教授的聯(lián)合團隊經(jīng)過3年的攻關(guān)，成功制備國內(nèi)首個80納米自旋轉(zhuǎn)移矩—磁隨機存儲器器件（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的聯(lián)合研發(fā)團隊經(jīng)過科研攻關(guān)，在STT-MRAM關(guān)鍵工藝技術(shù)研究上實現(xiàn)了重要突破，在國內(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)包括隧穿磁阻效應達到92%，可實現(xiàn)純電流翻轉(zhuǎn)且電流密度達到國際領(lǐng)先水平。

圖3 STT-MRAM存儲芯片器件原理圖

圖4 直徑80nm MTJ器件俯視圖

圖5 直徑80nm MTJ器件

圖6 TMR效應測試結(jié)果

圖7 STT效應測試結(jié)果

作者系中國科學院微電子研究所所先導中心博士