11納米自旋力矩存儲器正蓄勢待發

在IBM Research大會發布的創新成果當中，我們赫然發現傳說中已經擁有二十年開發歷史的非易失"通用型"磁性隨機訪問存儲器（簡稱MRAM）正在進行升級。IBM方面日前（7月7日）表示，通過與代工巨頭三星公司的合作，其正在利用自旋轉移力矩（簡稱STT）設計對MRAM加以進一步完善。

速度比閃存更快，密度較動態隨機訪問存儲器（DRAM）更高，這種通用型存儲器方案正在IBM公司內部進行最后一輪材料優化與工程技術調整。IBM方面表示，其MRAM STT的訪問時鐘在10納秒級別且功耗極低（僅為7.5微安），且速度表現遠超過閃存甚至接近DRAM。其適用范圍從小型物聯網系統芯片到大規模服務器存儲系統可謂無所不包。

整個研發周期長達二十年

"IBM公司在磁性隨機訪問存儲器，或者說MRAM領域已經投入了二十年時間。其最初屬于DARPA（即國防高級研究計劃局）資助的研究項目，當時IBM配合摩托羅拉希望打造一款場交換式MRAM，"IBM研究中心（位于紐約州約克敦海茨）MRAM高級經理、杰出研究員兼首席研究專家Daniel Worledge在采訪中表示。"IBM公司的John Slonczewski早在1996年就提出應該通過自旋力矩技術構建這套方案，但當時我們以為場交換機制的效果更理想。"

"我們在DARPA資助項目結束之后，開始轉向自旋力矩實現方式。現在我們已經迎來了該項技術的二十周年，且通過與三星方面的合作將其設計制程縮減至11納米，"Worledge介紹稱。

不過Worledge認為IBM的STT MRAM還無法在短時間內取代DRAM，但他深信SST MRAM能夠憑借著易于嵌入、速度極快且擁有無限次讀取與寫入能力等優勢沖擊嵌入式閃存方案，特別是在讀寫壽命方面。接下來，IBM公司計劃對該單元的工程參數進行優化，從而在最快三年之內與合作伙伴將其推向量產。

自旋轉移力矩（簡稱STT）磁性隨機訪問存儲器（簡稱MRAM）中的每個bit單元都包含一個晶體管外加一條垂直排列的隧道交叉點。該隧道交叉點包含兩個磁體，其一的北極永遠指向上，其二則為自由磁體、其北極可在向上與向下間切換以代表存儲0或者1。其只需要7.5微安電流通過即可實現偏振方向編程。

IBM自旋轉移力矩（簡稱STT）磁性隨機訪問存儲器（簡稱MRAM）當中單一11納米交叉點的透射電子顯微鏡影像。

IBM與三星雙方需要克服的最大挑戰在于，如何建立起垂直方向單元。

"早在2009年，我們就意識到要想實現優于DRAM的實際存儲效果，我們必須使用垂直磁性單元，因為DRAM就必須采用垂直容量單元，"Worledge在采訪中解釋稱。"在研發早期，我們與TDK協作以創建這種垂直架構。我們還與美光公司建立起初步合作關系，其目前仍在參與MRAM的研發。但最終，我們與三星成為合作伙伴，其于上周在Zurich實驗室中設立了MRAM論壇，從而將這套垂直架構的制程工藝推進至11納米級別--另外，進一步達到10納米級別的途徑也已經明確。"

之所以自旋轉移力矩成為這套架構中的重要組成部分，是因為與目前EverSpin及其它廠商打造的磁場交換MRAM相比，前者只需要7.5微安電流即可完成bit寫入--這一水平遠優于場交換技術的毫安級別功耗要求。

工作原理

再來看更多細節。IBM公司使用單一場效應晶體管（簡稱FET）通過STT MRAM內的一條垂直磁性隧道交叉點（簡稱MRJ）實現讀寫電流控制。位于堆疊結構底部的FET接入該MRJ，后者則由鈷-鐵-硼（CoFeB）化合物層構成，同時配合固定旋轉取向的鎂氧化物（MgO）隧道柵極以及可進行自旋轉變以代表0與1的CoFeB頂層。此堆疊體系還輔以另一MgO層，旨在強化垂直磁體各向異性（簡稱PMA）并降低自旋電流流失。

IBM紐約州約克敦海茨研究院MRAM部門高級經理兼首席研究科學家Daniel WOrledge。

各bit單元的指向反轉能夠在電流經過后的短短10納秒內完成。如果電流通過交叉點由下向上前行，則該bit亦會隨之朝向位于底部的CoFeB層。而如果電流自上而下推進，bit則會背向位于底部的CoFeB層。通過優化該單元的工程設計，其駐留生命周期可達到十至二十年之間，Worledge介紹稱。

IBM公司科學家Janusz Nowak展示11納米衢州轉移力矩（簡稱STT）磁性隨機訪問存儲器（簡稱MRAM）。

"STT MRAM的關鍵性優勢在于結合了非易失性與無限使用壽命，這不同于當前乃至可預見的未來所存在的任何其它存儲技術。另外，其亦通過對bit以及磁性材質垂直異向性的優化擁有極長的數據駐留周期，"Worledge在采訪中解釋道。

在對設計方案進行測試時，其每14億次寫入中僅存在1次寫入錯誤，配合標準糾錯技術即可實現完美存儲效果，Worledge表示。

IBM公司科學家Guohan Hu手持一疊自旋轉移（簡稱STT）磁性隨機訪問存儲器（簡稱MRAM）晶圓。