什么是MRAM?

MRAM(Magnetoresistive Random Access Memory) [1] 是一种非易失性(Non-Volatile)的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。

研究背景

存储器是计算机体系结构中的重要组成部分，对计算机的速度、集成度和功耗等都有决定性的影响。然而，存储器难以同时兼顾各项性能指标，例如，硬盘的存储容量较高，但访问速度极慢(通常为微秒级)。缓存则相反，具有高速和低集成度的特点。为充分发挥各类存储器的优势，典型的计算机存储系统采用分级结构，一方面，频繁使用的指令与数据存于缓存和主存中，能够以较快的速度与中央处理器交互；另一方面，大量非频繁使用的系统程序与文档资料被存于高密度的硬盘(HDD或SSD)中。这样的分级结构使存储系统兼具高速和大容量的优点，但是，随着半导体工艺特征尺寸的不断缩小，传统的基于互补金属氧化物半导体工艺的缓存和主存遭遇了性能瓶颈。在功耗方面，由于CMOS晶体管的漏电流随着工艺尺寸的减小而增大，因此，SRAM和DRAM的静态功耗日益加剧；在速度方面，处理器与存储器的互连延迟限制了系统的主频。解决该问题的一个有效途径是构建非易失性的缓存和主存，使系统可工作于休眠模式而不丢失数据，从而消除漏电流和静态功耗，而且非易失性存储器可通过后道工艺直接集成于CMOS电路上，减小了互连延迟。在诸多的非易失性存储器中，以Flash的技术最为成熟，但Flash因写入速度慢(毫秒)、可擦写次数有限等缺点而无法达到缓存和主存的性能要求。其他的候选有可变电阻式存储器、相变存储器和自旋转移矩磁性随机存储器等。

写入方式

Toggle-MRAM存在着两个固有的限制

（1）Toggle写入操作只能做到磁阻状态的切换，而不是直接的状态设定。因此，需要预读操作来确定磁隧道结的初始状态，预读电路的加入同时会降低电路集成密度；

（2）目前的大部分Toggle-MRAM产品是基于65~180 nm工艺节点制备。而在更先进的制程工艺中，随着磁隧道结及其写入线的尺寸缩小，驱动翻转所需的磁场也会随之增大，这样就需要较大的毫安级写入电流，这会造成写入功耗的大幅增加。所以，预读操作及其电路和低功耗的瓶颈限制了Toggle-MRAM在先进制程上的发展。

基于自旋转移矩效应（spin-transfer torque，STT）的纯电流写入方式的MRAM简称为STT-MRAM，STT型写入方式可以简单描述为：当电流穿过自由层流向参考层时（电子运动方向与电流方向相反），电子经过参考层时被参考层磁矩自旋极化，形成携带与参考层磁矩同向的自旋流注入到自由层，导致自由层的磁矩趋于与参考层同向；当电流穿过参考层流向自由层，电子经过自由层时由于自由层磁性较弱不足以极化出足够改变参考层磁矩的自旋流，但是当电子到达参考层表面时，参考层较强的磁性会将与自身磁矩相反的自旋状态反弹回自由层（注反弹的知只是电子的自旋状态，而不是电子本身）形成一股与参考层磁矩相反的自旋流注入到自由层，导致自由层的磁矩趋于与参考层反向。STT效应的写入电流可以随着磁隧道结尺寸的缩小而缩小，同时基于此效应的写入操作也无需预读过程可以直接覆盖之前的数据，因此STT-MRAM已成为当前产业化的主流MRAM技术。

近几年，为了解决STT-MRAM写入时较高的电流密度对势垒层的损伤和引起数据存储可靠性的问题，使用面内电流驱动的自旋轨道矩效应（Spin Orbit Torque，SOT）成为了下一代MRAM写入方式的关键技术。SOT-MRAM核心器件有三个端口，将读和写通道分离，从而解决了STT-MRAM寿命和速度不可兼得的窘境。SOT写入形式可以简单描述为电子从紧邻自由层的SOT导电通道流过时，由于强自旋轨道耦合效应，横向的电子流在纵向产生向上和向下的自旋流，向上运动的自旋流到达自由层导致自由层的磁矩趋近于与该股自旋流计划方向相同。SOT-MRAM目前存在SOT导电通道材料电荷-自旋转换效率不高、无法实现垂直磁各向异性无磁场辅助翻转、工艺不成熟等挑战，还处在科研和测试阶段。

结构

主体结构由三层结构的MTJ（magnetic tunnel junction）构成：自由层（free layer），固定层（fixed layer）和氧化层（Tunneling oxide）。自由层与固定层的材料分别是CoFeB和MgO。STT-MTJ利用自由层和固定层磁矩方向来存储信息，平行状态（parallel），电阻为低阻；非平行状态（anti-parallel），电阻为高阻。存储器读取电路是通过加载相同的电压判断输出电流的大小从而判断存储器的信息。在本文所有论述中0代表非平形态，1代表平行态。

当今最普遍的STT-MRAM存储器内部组合方式是1T-1MTJ（onetransistor,onemagnetictunneljunction）单元，因为1T-1MTJ拥有面积小，制造成本低和与CMOS工艺融合性好等优点。当电流流过MTJ结时它会因为存储信息的不同而表现出不同的阻值。NMOS管用来控制流过MTJ的电流，字线（wordline）连接到NMOS的栅极，它的功能和传统的SRAM是相似的。当需要写入或者读取时则会开启NMOS。NMOS的源极连接到源线（sourceline），位线（bitline）连接到MTJ的自由层。由于STT-MRAM的读写时间比较小，因此STT-MRAM将取代SRAM成为cache主要存储媒介。 [2]

应用

STT-MRAM在速度、面积、写入次数和功耗方面能够达到较好的折中，因此被业界认为是构建下一代非易失性缓存和主存的理想器件。STT-MRAM的应用前景并不局限于传统的计算机存储体系，还能够扩展到其他诸多领域，甚至有望成为通用存储器。例如，宝马公司在发动机控制模块采用MRAM以保证数据在断电情况下不丢失。鉴于磁性存储具有抗辐射的优势，空客公司在A350的飞行控制系统中采用MRAM以防止射线造成数据破坏。此外，在物联网和大数据等新兴应用领域，泛在的传感器终端需要搜集海量数据，为节省存储功耗，使用非易失性存储器势在必行，STT-MRAM以其相对优良的性能成为热门的候选器件。