磁阻隨機(jī)存取存儲器 （MRAM） 是一種非易失性存儲器技術(shù)，它依賴于兩個鐵磁層的（相對）磁化狀態(tài)來存儲二進(jìn)制信息。多年來，出現(xiàn)了不同風(fēng)格的 MRAM 存儲器,，使 MRAM 對緩存應(yīng)用程序和內(nèi)存計算越來越有吸引力。

　　在本文中,，我們討論了各種 MRAM 家族成員（包括自旋轉(zhuǎn)移扭矩 （spin-transfer torque ：STT）,、自旋軌道扭矩 （spin-orbit torque：SOT）、電壓控制（VCMA-和 VG-SOT）和domain-wall MRAM的挑戰(zhàn)和前景,。

　　不斷變化的存儲展望

　　內(nèi)存是電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件之一,，它可以滿足多種需求——從數(shù)據(jù)存儲到緩存、緩沖,，以及最近的（內(nèi)存中）計算,。幾十年來，內(nèi)存格局一直沒有改變,，從緩存到存儲都有清晰的層次結(jié)構(gòu)?？拷醒胩幚砥?（CPU） 的快速,、易失的嵌入式靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器 （SRAM） 是主要存儲器。芯片上還有更高的高速緩存存儲器,，主要由 SRAM 或嵌入式動態(tài)隨機(jī)存取存儲器 （DRAM） 技術(shù)制成,。

　　在離 CPU 較遠(yuǎn)的片外，您將主要發(fā)現(xiàn)用于工作存儲器的 DRAM 芯片,、用于存儲的非易失性 NAND 閃存芯片以及用于長期存檔應(yīng)用的磁帶,。一般來說，距離 CPU 越遠(yuǎn)的內(nèi)存越便宜,、速度越慢,、密度越大且易失性越低。

　　盡管內(nèi)存密度有了很大的提高,，但所有這些內(nèi)存都在努力跟上邏輯芯片不斷提高的性能和巨大的數(shù)據(jù)增長率,。這推動了對獨立和嵌入式應(yīng)用的替代內(nèi)存技術(shù)的探索。新興選擇范圍從緩存級應(yīng)用的新技術(shù),、改進(jìn) DRAM 設(shè)備的新方法,、填補(bǔ) DRAM 和 NAND 技術(shù)之間差距的新興存儲級存儲器、改進(jìn) 3D-NAND 存儲設(shè)備和存檔類型應(yīng)用的解決方案,。這些新興存儲器之一是磁阻隨機(jī)存取存儲器 （MRAM）,。

　　MRAM 研究的早期：從實驗室到太空

　　DRAM 和 NAND 閃存等傳統(tǒng)存儲器利用電荷來存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)（0 或 1），而 MRAM 則利用鐵磁層的集體磁化狀態(tài)。其核心元件是磁性隧道結(jié) （magnetic tunnel junction ：

　　MTJ）,，其中薄介電層夾在磁性固定層和磁性自由層之間,。存儲單元的寫入是通過切換自由鐵磁層（MRAM 位單元的“存儲”層）的磁化來執(zhí)行的。讀取時,，MTJ 的磁阻是通過使電流通過結(jié)來測量的,。該隧道磁阻 （ tunnel magnetoresistance：TMR） 可以高或低，這取決于自由層和固定層的磁化的相對方向（即平行或反平行,，因此為 1 或 0）,。

　　圖 1：MRAM TMR 讀操作的原理。

　　MRAM 肯定不是一項新技術(shù)：它的發(fā)展可以追溯到幾十年前,。第一個MRAM技術(shù)的實現(xiàn)（例如切換模式 MRAM）依賴于磁場驅(qū)動切換,，其中應(yīng)用外部磁場來切換和寫入存儲位單元。該場是通過使電流通過銅線而產(chǎn)生的,。這是一項很好的工程,，但磁場感應(yīng)開關(guān)無法向更小的尺寸擴(kuò)展——因為實現(xiàn)所需磁場所需的電流隨著電流線尺寸的減小而增加。該技術(shù)永遠(yuǎn)無法實現(xiàn)高密度 MRAM 應(yīng)用,，因此僅限于一些小眾應(yīng)用,，例如太空——仍在使用。在空間應(yīng)用中,，可以充分發(fā)揮磁場驅(qū)動技術(shù)的巨大優(yōu)勢：

　　多年來,，科學(xué)家已經(jīng)提出了編寫該技術(shù)的新方法——包括熱輔助開關(guān)（thermally assisted switching）——但到目前為止還沒有取得任何巨大的商業(yè)成功。

　　MRAM的利基市場

　　大約 20 年前,，隨著自旋轉(zhuǎn)移矩 MRAM （STT-MRAM） 的發(fā)明,，MRAM 邁出了商業(yè)化的重要一步。除了經(jīng)典的 MRAM,，STT-MRAM 使用電流來誘導(dǎo)自由磁性層的切換,。通過使電流通過固定磁性層，人們可以產(chǎn)生自旋極化電流——其中有更多的電子向上或向下旋轉(zhuǎn),。如果此自旋極化電流被引導(dǎo)到自由鐵磁層,，角動量可以轉(zhuǎn)移到該層（“自旋轉(zhuǎn)移扭矩”），從而改變其磁取向,。

　　第二個突破來自材料方面,，當(dāng)鐵磁 CoFeB 被引入作為固定和自由磁性層的材料，以及用于介電勢壘的 MgO 時,。使用這些材料提高了器件效率,，主要是在更高的隧道磁阻方面。經(jīng)過多年的研究,，第一批基于 STT-MRAM 的產(chǎn)品于 2015 年左右上市,，首先作為 DRAM 和固態(tài)驅(qū)動器 （SSD） 的非易失性緩沖器,，后來作為嵌入式閃存的替代品。從那時起,，主要代工廠和工具供應(yīng)商一直在（嵌入式）STT-MRAM 中投入大量研發(fā)資源,。

　　STT-MRAM 取代 SRAM 緩存？

　　緩存存儲器通常是一種非常小的存儲器,，靠近處理器以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速訪問,。這種類型的內(nèi)存通常組織為不同緩存級別的層次結(jié)構(gòu)。高速緩沖存儲器的角色通常由高速,、易失性 SRAM 扮演,。多年來，SRAM 位單元（通常由 6 個晶體管組成）已經(jīng)縮小規(guī)模以增加內(nèi)存密度,，從而增加緩存的容量,。但在 10nm 技術(shù)節(jié)點以下，由于內(nèi)存不活動（泄漏）時功耗增加以及可靠性問題,，SRAM 縮放變得非常具有挑戰(zhàn)性,。

　　在多年的 MRAM 研究中，STT-MRAM 已被提出作為緩存 SRAM 的有前途的替代品——這一演變將使 STT-MRAM 突破利基市場,。它本質(zhì)上是非易失性的,，這意味著即使在系統(tǒng)關(guān)閉時它也會保留數(shù)據(jù)。這有效地解決了 SRAM 存儲器在不活動時“泄漏”能量的問題,。從尺寸上看,，STT-MRAM 存儲單元也比 SRAM 單元小得多。

　　在 2018 年 IEEE IEDM 會議上,，imec 展示了在 5nm 技術(shù)節(jié)點引入 STT-MRAM 作為最后一級 （L3） 緩存存儲器的可行性?；谠O(shè)計技術(shù)協(xié)同優(yōu)化和硅驗證模型的分析表明,，STT-MRAM 可以滿足高性能計算領(lǐng)域?qū)ψ詈笠患壘彺娴男阅芤蟆４送?，STT-MRAM 單元僅占據(jù) SRAM 宏的 43.3% 的面積,，并且與高密度存儲單元的 SRAM 相比，STT-MRAM 的能效更高,。

　　圖 2：不同尺寸的 SRAM 和 STT-MRAM 之間的能量比較

　　不幸的是,，該技術(shù)被證明不足以將操作擴(kuò)展到更快、更低級別的緩存 （L1/L2）,。首先,，與SRAM相比，寫入過程仍然相對低效且耗時,，對切換速度（不快于5ns）構(gòu)成了固有限制,。其次,，速度增益將需要增加流過 MTJ 的電流，從而流過薄的電介質(zhì)屏障,。這會施加嚴(yán)重的壓力并導(dǎo)致設(shè)備的耐用性降低,。這些可靠性問題與快速切換速度下增加的能量相結(jié)合，使得 STT-MRAM 存儲器不適合 L1/L2 緩存操作——這需要亞納秒的切換速度,。

　　因此,，半導(dǎo)體行業(yè)一直在尋找解決這些問題的方法，從而產(chǎn)生了新的 MRAM 風(fēng)格,。它們都依賴于讀取位單元的相同機(jī)制（即,，通過測量 TMR），但在寫入存儲單元的方式上有所不同,。根據(jù)寫入機(jī)制,，這些新風(fēng)格（下文討論）至少在以下指標(biāo)之一方面表現(xiàn)更好：可靠性、速度,、功耗和/或面積消耗,。

　　除了在架構(gòu)和材料方面探索創(chuàng)新之外，imec 等研究機(jī)構(gòu)還通過開發(fā)與 CMOS 兼容的基于 300mm 的集成制程,，使這些 MRAM 風(fēng)味的制造變得友好,。該團(tuán)隊的重點是具有垂直磁化的 MRAM 類型的設(shè)備，因為與平面內(nèi)磁化技術(shù)相比,，它具有更好的縮放潛力,。

　　SOT-MRAM：可靠、快速,、節(jié)能,，但體積大

　　從架構(gòu)的角度來看，STT 和自旋軌道扭矩 （SOT）-MRAM 器件之間的主要區(qū)別在于電流注入幾何形狀,。在 STT-MRAM 器件中,，寫入存儲器所需的電流垂直注入 MTJ。對于 SOT-MRAM,，電流注入是在平面內(nèi),、在相鄰的 SOT 層（通常是重金屬）中進(jìn)行的。在物理學(xué)方面,，現(xiàn)在切換自由層依賴于軌道角動量從重金屬電子到磁性存儲層的轉(zhuǎn)移——霍爾效應(yīng)和 Rashba 相互作用進(jìn)一步輔助,。由于電流注入幾何結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在讀寫路徑分離,，顯著提高了器件的耐用性和讀取穩(wěn)定性,。它還消除了 STT-MRAM 設(shè)備中固有的開關(guān)延遲。

　　雖然 SOT-MRAM 器件的操作已在實驗室中得到驗證,，但 imec 是第一個在 2018 年使用 CMOS 兼容工藝在 300mm 晶圓上全面集成 SOT-MRAM 器件模塊的公司,。這也使團(tuán)隊能夠比較 SOT 和 STT 開關(guān)行為,，這些器件是在相同的 300 毫米晶圓上制造的。雖然 STT-MRAM 操作期間的開關(guān)速度被限制為 5ns,，但在 SOT-MRAM 操作期間證明了低至 210ps 的可靠開關(guān),。

　　SOT-MRAM 器件表現(xiàn)出出色的耐久性（>5×10 10）和低至 300pJ 的運行功率。在這些器件中,，磁性隧道結(jié)由 SOT/CoFeB/MgO/CoFeB/SAF 垂直磁化堆疊組成,，使用 β 相鎢 （W） 作為 SOT 層。

　　在 VLSI 2019 上,，該團(tuán)隊提出了一項關(guān)鍵創(chuàng)新,，可以進(jìn)一步提高 SOT-MRAM 器件的可制造性：無場開關(guān)操作，以消除寫操作期間對外部磁場的需求 ,。需要磁場來打破對稱性并確保確定性的磁化切換,。到目前為止，這個領(lǐng)域是由外部引起的,，這對 SOT-MRAM 器件的實際應(yīng)用構(gòu)成了主要障礙,。Imec 的解決方案包括在用于塑造 SOT 層的硬掩模中嵌入鐵磁體。使用這種鐵磁體,，在磁性隧道結(jié)的自由層上會感應(yīng)出一個小的均勻面內(nèi)場,。該方法被證明是可靠的，同時保留了 SOT-MRAM 設(shè)備的 sub-ns 寫入,。

　　圖 3：具有 Co 磁性硬掩模的 SOT 無場切換 MTJ 的橫向 TEM 橫截面視圖

　　可制造性的另一個問題與熱預(yù)算有關(guān)：用于處理磁性層的熱預(yù)算必須與整個制造流程兼容,。在 VLSI 2021 上，imec 展示了一種后端 （BEOL） 兼容 SOT 器件,，該器件采用新的自由層設(shè)計,，可提供更大的靈活性來增加內(nèi)存的保留時間 。

　　盡管這些結(jié)果為解決最低緩存級別中的 SRAM 替換問題開辟了道路,，但 SOT-MRAM 仍然存在一個主要缺點：面積消耗,。雖然具有柱狀結(jié)構(gòu)的 STT-MRAM 是一種兩端器件，但 SOT-MRAM 是一種三端器件——將兩個晶體管合并到一個單元中和一個相對較大的選擇器晶體管（以適應(yīng)寫入所需的相對較大的電流）裝置）,。因此,，需要在密度縮放方面進(jìn)行創(chuàng)新,，使其成為低級緩存應(yīng)用中 SRAM 的真正競爭對手,。

　　VCMA-MRAM：超低功耗冠軍

　　電壓控制 MRAM 操作已被探索作為進(jìn)一步降低 STT-MRAM 功耗的一種方式。雖然寫入 STT-MRAM 存儲單元是通過電流執(zhí)行的,，但壓控磁各向異性 （VCMA）-MRAM 使用電場（因此,，電壓）進(jìn)行寫入操作——這大大降低了能耗。將自由層從平行 （P） 狀態(tài)切換到反平行狀態(tài) （AP）（反之亦然）需要兩個基本組件：一個電場（穿過隧道勢壘）以消除能量勢壘,，以及一個外部平面內(nèi)用于實際 VCMA 切換的磁場,。

　　盡管在功耗方面很有希望,，但這種 MRAM 的特點是寫入速度相對較慢。慢寫操作與 VCMA-MRAM 器件的單極性質(zhì)有關(guān)：從并行轉(zhuǎn)換到反并行 （P-AP） 狀態(tài)以及從反并行切換到并行需要相同極性的寫脈沖（ AP-P） 狀態(tài),。因此,，存儲單元需要在寫入之前進(jìn)行“預(yù)讀取”以了解其狀態(tài)——這一序列會顯著減慢寫入操作的速度。

　　2020 年,，imec 引入了獨特的確定性 VCMA 寫入概念,，避免了預(yù)讀的需要：通過在能壘中創(chuàng)建偏移，為 A-AP 和 AP-P 轉(zhuǎn)換引入了不同的閾值電壓,。該偏移是通過在 VCMA 堆棧設(shè)計中實施?。ɡ?5mT）偏移磁場 （B z,eff ） 來實現(xiàn)的。

　　圖 4：（a） 具有 Bz,eff 的能量圖,，用于建議的確定性寫入,，其中 AP 狀態(tài)比 P 狀態(tài)更穩(wěn)定；（b） 保留 （Δ） 作為 Bz,eff 的函數(shù),。

　　作為第二個改進(jìn),，imec 在磁性隧道結(jié)的頂部嵌入了磁性硬掩模。這消除了在 VCMA 切換期間對外部磁場的需要,，提高了器件的可制造性,，而不會降低其性能。

　　由此產(chǎn)生的設(shè)備是使用 imec 的 300 毫米最先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施制造的,，證明了它們與 CMOS 技術(shù)的兼容性,。可靠的 1.1GHz（或 ns 級速度）無外部磁場 VCMA 切換僅用 20fJ 寫入能量進(jìn)行了演示,。實現(xiàn)了 246% 的高隧道磁阻和超過 10 10的耐久性,。這些改進(jìn)使 VCMA-MRAM 性能超越 STT-MRAM 操作，使這些器件成為高性能,、超低功耗和高密度存儲器應(yīng)用的理想選擇,。

　　剩下的主要挑戰(zhàn)之一與增加 VCMA 效應(yīng)的幅度有關(guān)。使用當(dāng)前材料集,，只能切換低保留（數(shù)天到數(shù)周）的自由層,。切換高保留自由層需要更高的 VCMA 效應(yīng)，這仍然需要材料突破,。該領(lǐng)域在 imec 已建立的 300mm VCMA-MRAM 平臺上得到了積極探索,。

　　VG-SOT 承諾擁有這一切

　　最近，提出了一種新的寫入方案,，它結(jié)合了 VCMA 和 SOT 效應(yīng)的優(yōu)點：電壓門輔助自旋軌道扭矩 MRAM 器件（VG-SOT MRAM）,。在這樣的器件中，SOT 效應(yīng)再次負(fù)責(zé)切換自由層,。但是 VCMA 頂門現(xiàn)在輔助其操作,，充當(dāng) MTJ 選擇器,。通過施加電壓來執(zhí)行選擇，隨后改變自由層的穩(wěn)定性,，從而改變其保留,。有了這個概念，人們現(xiàn)在可以想到一種多柱單元結(jié)構(gòu)（在公共 SOT 線上具有多個 MTJ 柱）,，其中一個 VCMA 頂柵選擇要寫入的一個,。這個概念有望解決傳統(tǒng) SOT 技術(shù)的密度限制，這需要每個位單元有一個大的選擇器,。

　　此外,，就像傳統(tǒng)的 SOT 一樣，VG-SOT 能夠在亞納秒范圍內(nèi)實現(xiàn)快速切換,。因此,，VG-SOT 具有在任何類型的緩存中發(fā)揮作用的所有功能——有望實現(xiàn)真正的統(tǒng)一緩存。

　　但實現(xiàn)工業(yè)采用的道路是漫長的,。該設(shè)備制造起來很復(fù)雜,，其在多柱結(jié)構(gòu)中的全部功能仍有待證明。Imec 正在逐步實現(xiàn)這一目標(biāo),。使用垂直 MTJ 構(gòu)建塊,，單個 3 端子器件上的 VG-SOT 概念已經(jīng)可以在 300 毫米晶圓上成功演示。Imec 現(xiàn)在正致力于證明采用 CMOS 兼容工藝步驟制造的多柱器件結(jié)構(gòu)的全部功能,。

　　VG-SOT 器件概念與其獨立對應(yīng)物相比,，降低了 SOT 和 VCMA 效率的材料特性要求。盡管如此,，創(chuàng)新需要來自材料方面,，以使設(shè)備更高效。

　　現(xiàn)在,，業(yè)界正在為 SOT 層探索具有更高自旋軌道轉(zhuǎn)移效應(yīng)的新材料,，旨在降低能耗。此外,，正在尋找具有更大 VCMA 系數(shù)的材料,。該系數(shù)決定了施加電壓時保持力的變化程度。此外,，為了進(jìn)一步提高 TMR 讀數(shù),，對 MTJ 堆棧中 MgO 替代品的基礎(chǔ)研究是高度相關(guān)的。

　　圖5：單柱和多柱VG-SOT運行原理

　?。╒G-）SOT MRAM 在模擬內(nèi)存計算方面的潛力

　　VCMA 輔助多支柱 SOT-MRAM 也被認(rèn)為是為模擬內(nèi)存計算實現(xiàn)多級深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的有趣候選者,。

　　深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)的一個子集,，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能從大量數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí),。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含一系列對輸入數(shù)據(jù)應(yīng)用變換的隱藏層,。正是在這些隱藏層的節(jié)點內(nèi)應(yīng)用了權(quán)重，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的可學(xué)習(xí)參數(shù)會轉(zhuǎn)換輸入數(shù)據(jù),。模擬內(nèi)存計算是實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的一種很有前途的架構(gòu)解決方案,。為此，業(yè)界正在探索不同類型的存儲器,，包括具有大電阻值的低功耗,、非易失性電阻式存儲器。

　　SOT-MRAM 承諾滿足這些要求,。由于單獨的寫入和讀取路徑,，可以在不影響寫入路徑的情況下增加 MTJ 堆棧的電阻。這樣,，可以獲得非常大的電阻——因此,，通過隧道結(jié)的電流非常低。當(dāng)使用多柱 SOT-MRAM 結(jié)構(gòu)時,，現(xiàn)在可以總結(jié)來自不同 MTJ 柱的電流（實際內(nèi)存計算）,。該總電流產(chǎn)生用作輸入信號權(quán)重的模擬信號。由于來自不同 SOT-MRAM 單元的單個電流足夠低,，最終的累加電流仍然可行,。

　　在 VLSI 2021 上，imec 首次展示使用多柱 SOT-MRAM（具有選擇性 VCMA 輔助寫入）來實現(xiàn)多級深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的可行性,。在實驗中,，在一個 SOT 軌道上具有四個支柱的設(shè)備已被用于實現(xiàn)九個級別的權(quán)重。

　　展望：domain-wall設(shè)備

　　從長遠(yuǎn)來看,，imec 探索了其他更奇特的 MRAM 設(shè)備實現(xiàn),，這些設(shè)備承諾更高密度的 MRAM 位單元：domain-wall設(shè)備。在這些設(shè)備中,，輸入信息在magnetic domain walls,中編碼,，magnetic domain walls將具有不同磁化強(qiáng)度的區(qū)域分開。該器件是通過使用magnetic domain walls沿磁道的運動來操作的,。這種運動可以由自旋軌道扭矩控制,。在這樣的構(gòu)造中，并非每個位單元都需要讀出傳感器,，因為magnetic domain walls本身可以連接到讀出單元——這些單元僅安裝在幾個選定的位置,。因此，可以實現(xiàn)有限數(shù)量的讀出,，從而允許顯著增加存儲器的密度,。

　　到目前為止，由于 缺乏在納米尺度上讀寫它們的電氣手段，因此無法通過實驗證明完整功能的magnetic domain walls器件,。Imec 可以首次展示完整運行的納米級magnetic domain walls設(shè)備（在 300 毫米晶圓上制造）,，使用專門設(shè)計的垂直 MTJ 進(jìn)行電讀寫。這項研究的結(jié)果最近在 Nature Electronics 中有所描述,。

　　除了高內(nèi)存密度之外,，使用domain walls設(shè)備進(jìn)行內(nèi)存應(yīng)用還有第二個優(yōu)勢。自旋力矩多數(shù)門形式的domain walls器件也被認(rèn)為是高性能邏輯應(yīng)用的進(jìn)一步選擇,。但隨后您需要一個平臺,，讓邏輯和內(nèi)存可以緊密結(jié)合在一起。domain walls存儲器可以在那里發(fā)揮重要作用,，因為您可以潛在地將邏輯和存儲器連接到相同的磁道上,。

　　結(jié)論

　　多年來，出現(xiàn)了不同風(fēng)格的 MRAM 存儲設(shè)備,，在寫入速度,、可靠性、功耗和面積消耗之間進(jìn)行權(quán)衡,。根據(jù)它們的具體特性,，它們針對不同的應(yīng)用，例如,，用于嵌入式閃存和末級緩存的 STT-MRAM,，用于較低級緩存存儲器的 SOT-MRAM，用于超低功耗應(yīng)用的 VCMA-MRAM,，以及最后的 VG- SOT MRAM 作為終極統(tǒng)一緩存存儲器,，也具有用于內(nèi)存計算的有趣特性。