磁阻隨機存取存儲器 （MRAM） 是一種非易失性存儲器技術，它依賴于兩個鐵磁層的（相對）磁化狀態來存儲二進制信息。多年來，出現了不同風格的 MRAM 存儲器，使 MRAM 對緩存應用程序和內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的挑戰和前景。

　　不斷變化的存儲展望

　　內存是電子系統中的關鍵組件之一，它可以滿足多種需求——從數據存儲到緩存、緩沖，以及最近的（內存中）計算。幾十年來，內存格局一直沒有改變，從緩存到存儲都有清晰的層次結構。靠近中央處理器 （CPU） 的快速、易失的嵌入式靜態隨機存取存儲器 （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 或嵌入式動態隨機存取存儲器 （DRAM） 技術制成。

　　在離 CPU 較遠的片外，您將主要發現用于工作存儲器的 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用的磁帶。一般來說，距離 CPU 越遠的內存越便宜、速度越慢、密度越大且易失性越低。

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

　　MRAM 研究的早期：從實驗室到太空

　　DRAM 和 NAND 閃存等傳統存儲器利用電荷來存儲二進制數據（0 或 1），而 MRAM 則利用鐵磁層的集體磁化狀態。其核心元件是磁性隧道結 （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）的磁化來執行的。讀取時，MTJ 的磁阻是通過使電流通過結來測量的。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：它的發展可以追溯到幾十年前。第一個MRAM技術的實現（例如切換模式 MRAM）依賴于磁場驅動切換，其中應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生的。這是一項很好的工程，但磁場感應開關無法向更小的尺寸擴展——因為實現所需磁場所需的電流隨著電流線尺寸的減小而增加。該技術永遠無法實現高密度 MRAM 應用，因此僅限于一些小眾應用，例如太空——仍在使用。在空間應用中，可以充分發揮磁場驅動技術的巨大優勢：

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

　　MRAM的利基市場

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

　　第二個突破來自材料方面，當鐵磁 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。經過多年的研究，第一批基于 STT-MRAM 的產品于 2015 年左右上市，首先作為 DRAM 和固態驅動器 （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商一直在（嵌入式）STT-MRAM 中投入大量研發資源。

　　STT-MRAM 取代 SRAM 緩存？

　　緩存存儲器通常是一種非常小的存儲器，靠近處理器以實現對數據的快速訪問。這種類型的內存通常組織為不同緩存級別的層次結構。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）已經縮小規模以增加內存密度，從而增加緩存的容量。但在 10nm 技術節點以下，由于內存不活動（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。它本質上是非易失性的，這意味著即使在系統關閉時它也會保留數據。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 技術節點引入 STT-MRAM 作為最后一級 （L3） 緩存存儲器的可行性。基于設計技術協同優化和硅驗證模型的分析表明，STT-MRAM 可以滿足高性能計算領域對最后一級緩存的性能要求。此外，STT-MRAM 單元僅占據 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，該技術被證明不足以將操作擴展到更快、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屏障。這會施加嚴重的壓力并導致設備的耐用性降低。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，半導體行業一直在尋找解決這些問題的方法，從而產生了新的 MRAM 風格。它們都依賴于讀取位單元的相同機制（即，通過測量 TMR），但在寫入存儲單元的方式上有所不同。根據寫入機制，這些新風格（下文討論）至少在以下指標之一方面表現更好：可靠性、速度、功耗和/或面積消耗。

　　除了在架構和材料方面探索創新之外，imec 等研究機構還通過開發與 CMOS 兼容的基于 300mm 的集成制程，使這些 MRAM 風味的制造變得友好。該團隊的重點是具有垂直磁化的 MRAM 類型的設備，因為與平面內磁化技術相比，它具有更好的縮放潛力。

　　SOT-MRAM：可靠、快速、節能，但體積大

　　從架構的角度來看，STT 和自旋軌道扭矩 （SOT）-MRAM 器件之間的主要區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、在相鄰的 SOT 層（通常是重金屬）中進行的。在物理學方面，現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移——霍爾效應和 Rashba 相互作用進一步輔助。由于電流注入幾何結構，現在讀寫路徑分離，顯著提高了器件的耐用性和讀取穩定性。它還消除了 STT-MRAM 設備中固有的開關延遲。

　　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。這也使團隊能夠比較 SOT 和 STT 開關行為，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。

　　SOT-MRAM 器件表現出出色的耐久性（>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，該團隊提出了一項關鍵創新，可以進一步提高 SOT-MRAM 器件的可制造性：無場開關操作，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，這個領域是由外部引起的，這對 SOT-MRAM 器件的實際應用構成了主要障礙。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，在磁性隧道結的自由層上會感應出一個小的均勻面內場。該方法被證明是可靠的，同時保留了 SOT-MRAM 設備的 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算有關：用于處理磁性層的熱預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計，可提供更大的靈活性來增加內存的保留時間 。

　　盡管這些結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。雖然具有柱狀結構的 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行創新，使其成為低級緩存應用中 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行的，但壓控磁各向異性 （VCMA）-MRAM 使用電場（因此，電壓）進行寫入操作——這大大降低了能耗。將自由層從平行 （P） 狀態切換到反平行狀態 （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 器件的單極性質有關：從并行轉換到反并行 （P-AP） 狀態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。因此，存儲單元需要在寫入之前進行“預讀取”以了解其狀態——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，避免了預讀的需要：通過在能壘中創建偏移，為 A-AP 和 AP-P 轉換引入了不同的閾值電壓。該偏移是通過在 VCMA 堆棧設計中實施小（例如 5mT）偏移磁場 （B z,eff ） 來實現的。

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

　　作為第二個改進，imec 在磁性隧道結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。

　　由此產生的設備是使用 imec 的 300 毫米最先進的技術基礎設施制造的，證明了它們與 CMOS 技術的兼容性。可靠的 1.1GHz（或 ns 級速度）無外部磁場 VCMA 切換僅用 20fJ 寫入能量進行了演示。實現了 246% 的高隧道磁阻和超過 10 10的耐久性。這些改進使 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用的理想選擇。

　　剩下的主要挑戰之一與增加 VCMA 效應的幅度有關。使用當前材料集，只能切換低保留（數天到數周）的自由層。切換高保留自由層需要更高的 VCMA 效應，這仍然需要材料突破。該領域在 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，它結合了 VCMA 和 SOT 效應的優點：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 效應再次負責切換自由層。但是 VCMA 頂門現在輔助其操作，充當 MTJ 選擇器。通過施加電壓來執行選擇，隨后改變自由層的穩定性，從而改變其保留。有了這個概念，人們現在可以想到一種多柱單元結構（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 SOT 技術的密度限制，這需要每個位單元有一個大的選擇器。

　　此外，就像傳統的 SOT 一樣，VG-SOT 能夠在亞納秒范圍內實現快速切換。因此，VG-SOT 具有在任何類型的緩存中發揮作用的所有功能——有望實現真正的統一緩存。

　　但實現工業采用的道路是漫長的。該設備制造起來很復雜，其在多柱結構中的全部功能仍有待證明。Imec 正在逐步實現這一目標。使用垂直 MTJ 構建塊，單個 3 端子器件上的 VG-SOT 概念已經可以在 300 毫米晶圓上成功演示。Imec 現在正致力于證明采用 CMOS 兼容工藝步驟制造的多柱器件結構的全部功能。

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

　　現在，業界正在為 SOT 層探索具有更高自旋軌道轉移效應的新材料，旨在降低能耗。此外，正在尋找具有更大 VCMA 系數的材料。該系數決定了施加電壓時保持力的變化程度。此外，為了進一步提高 TMR 讀數，對 MTJ 堆棧中 MgO 替代品的基礎研究是高度相關的。

　　圖5：單柱和多柱VG-SOT運行原理

　　（VG-）SOT MRAM 在模擬內存計算方面的潛力

　　VCMA 輔助多支柱 SOT-MRAM 也被認為是為模擬內存計算實現多級深度神經網絡權重的有趣候選者。

　　深度學習是機器學習的一個子集，人工神經網絡能從大量數據中學習。神經網絡包含一系列對輸入數據應用變換的隱藏層。正是在這些隱藏層的節點內應用了權重，網絡內部的可學習參數會轉換輸入數據。模擬內存計算是實現神經網絡權重的一種很有前途的架構解決方案。為此，業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，通過隧道結的電流非常低。當使用多柱 SOT-MRAM 結構時，現在可以總結來自不同 MTJ 柱的電流（實際內存計算）。該總電流產生用作輸入信號權重的模擬信號。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）來實現多級深度神經網絡權重的可行性。在實驗中，在一個 SOT 軌道上具有四個支柱的設備已被用于實現九個級別的權重。

　　展望：domain-wall設備

　　從長遠來看，imec 探索了其他更奇特的 MRAM 設備實現，這些設備承諾更高密度的 MRAM 位單元：domain-wall設備。在這些設備中，輸入信息在magnetic domain walls,中編碼，magnetic domain walls將具有不同磁化強度的區域分開。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，可以實現有限數量的讀出，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設備（在 300 毫米晶圓上制造），使用專門設計的垂直 MTJ 進行電讀寫。這項研究的結果最近在 Nature Electronics 中有所描述。

　　除了高內存密度之外，使用domain walls設備進行內存應用還有第二個優勢。自旋力矩多數門形式的domain walls器件也被認為是高性能邏輯應用的進一步選擇。但隨后您需要一個平臺，讓邏輯和內存可以緊密結合在一起。domain walls存儲器可以在那里發揮重要作用，因為您可以潛在地將邏輯和存儲器連接到相同的磁道上。

　　結論

　　多年來，出現了不同風格的 MRAM 存儲設備，在寫入速度、可靠性、功耗和面積消耗之間進行權衡。根據它們的具體特性，它們針對不同的應用，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，用于超低功耗應用的 VCMA-MRAM，以及最后的 VG- SOT MRAM 作為終極統一緩存存儲器，也具有用于內存計算的有趣特性。