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解讀STT-MRAM記憶體技術

上網時間: 2014年11月05日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:STT-MRAM  DRAM  SRAM  記憶體  iMTJ 

作者:Michael Ofstedahl,Avalanche Technology業務開發副總裁

記憶體是用於目前每一個電腦系統、記憶體方案和行動裝置的關鍵元件之一。記憶體的性能、可擴展性、可靠性和成本是決定每一種系統產品投入市場時經濟上成功或失敗的主要標準。

目前,幾乎所有產品都使用一種或結合使用幾種基於電荷儲存的揮發性記憶體DRAM和SRAM,以及非揮發性記憶體NOR和NAND快閃記憶體。現有的這些記憶體具有明顯優勢,使其於過去30年位居市場主導地位。但因為系統始終追求更快、更小、更可靠、更便宜,以便能在未來五到十年間有效競爭,所以這些記憶體存在的缺點,也為其未來發展蒙上陰影。

幾種新的突破性技術正以挑戰者之姿進入市場,特別是諸如電阻式RAM(RRAM)和相變RAM(PCRAM)等非揮發性記憶體(NVM),承諾可提供高性能、低功耗,以及無限的使用壽命。磁阻RAM(MRAM)也是新興技術之一。

值得注意的是,MRAM並非初來乍到,它在25年以前首次亮相於產業會議中。由於它與基於電荷儲存的記憶體如此迥然不同,當時曾經令人十分激賞。現在,已有幾種不同類型的MRAM應用了,其中包括場開關和熱輔助MRAM。所有這些技術都具有顯著的優異特性,因而使MRAM適用於各種不同的特殊應用。

但自旋力矩轉移(STT)MRAM非常適合許多主流應用,特別是作為記憶體技術,因為它既有DRAM和SRAM的高性能,又有快閃記憶體的低功耗和低成本,而且還可採用10nm製程製造。此外,還可沿用現有的CMOS製造技術與製程。由於它是非揮發性的,所以當電源關斷或徹底關閉時,STT-MRAM還能永遠保存資料。

不同於萬眾矚目的新秀RRAM,MRAM作為記憶體元的基本實體原理已廣為人知。但就MRAM來說,其記憶體單元由一個磁隧結(MTJ)組成,多年來,一直被廣泛作為硬碟驅動器的讀取頭。早期的MRAM元件利用平面MTJ(iMTJ),其中的磁矩(具有振幅與方向的向量)與矽基板表面平行(圖1)。

平行MTJ結構圖
圖1:平行MTJ結構圖

如今,還有另一種最佳化的MTJ版本——垂直MTJ(pMTJ),其磁矩垂直於矽基板表面(圖2)。

垂直MTJ結構圖
圖2:垂直MTJ結構圖

雖然基於iMTJ的STT-MRAM在微縮至90nm以下製程節點表現還不甚成熟,而且在200mm晶圓上也不具成本競爭力,但基於pMTJ的STT-MRAM則在可製造性方面展現極大優勢,可擴展至10nm以下製程。在成本方面,它可望與諸如DRAM等其它記憶體技術一爭高下。由於STT-MRAM具有這種可擴展性,使其可望在未來幾年在低、中密度應用中取代DRAM和快閃記憶體。

STT-MRAM製造

在典型的STT-MRAM整合製程中,MTJ夾在兩個金屬層之間所以需要兩個額外光罩。雖然早期的製程依賴硬碟驅動器(HDD)產業的設計工具,但近年來,半導體製造產業界的大型設備工具廠商一直在開發300mm晶圓製程所需的關鍵沈積和蝕刻工具。因此,在以40nm以下製程製造大量300mm STT-MRAM晶圓的生態系統業已到位。

STT-MRAM的一個關鍵特色是使用標準的CMOS電晶體,而且MTJ是在產線後端(BEOL)進行處理的。這使得製造過程是無縫的,因而適用於分離式元件和嵌入式應用的大量低成本生產。

應用

作為一種獨立的記憶體元件,STT-MRAM由於具有更高速度、更低延遲、可擴展性和無限使用壽命等特性,因而被用於取代SRAM、DRAM和NOR快閃記憶體。STT-MRAM並不像DRAM那樣需要刷新功率,而且在讀取過程中也不會破壞記憶體資料。這些特性在系統級時提供更明顯的功耗優勢與更低延遲。

在目前的許多SoC、CPU和GPU內,大約有50%至80%的晶片面積被記憶體佔用。這種嵌入式記憶體大多傾向於使用4或6個電晶體的SRAM。相形之下,STT-MRAM使用一個電晶體。為了節省晶片空間,最新的CPU也開始整合e-DRAM,不過這在製程上仍非常困難。STT-MRAM由於採用標準CMOS建置而能輕鬆實現整合,因而非常適合這一類的應用。

STT-MRAM顯著減少了晶片尺寸,同時提供接近邏輯處理速度的高速NVM。預計這項技術還能提供更低成本、更快啟動時間,以及一系列新功能,因而特別適用於行動和記憶體裝置應用。

企業儲存則是基於pMTJ的STT-MRAM主要應用場合。記憶體陣列和資料中心正處於從舊的傳統HDD系統到基於全矽(固態硬碟,SSD)快閃記憶體系統的巨大變革中。同時,在未來幾年,軟體定義資料中心、網路和記憶體將進一步結合虛擬化,持續促進整個資料記憶體領域的蛻變。

(參考原文:Understanding STT-MRAM,by Michael Ofstedahl)





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