适用于高密度L3存储器的SOT-MRAM架构

目前，自旋轨道矩磁阻随机存取存储器(SOT-MRAM)器件在L3存储器应用中面临三个主要问题：可扩展性、动态功耗和制造中对紧凑型无磁场开关解决方案的需求。如今，一次性全面解决这些问题的SOT-MRAM架构已经面世。

SOT-MRAM：亚纳秒开关速度，高耐久性

近年来，芯片行业对SOT-MRAM技术开发越来越感兴趣。SOT-MRAM是一种很有前途的非易失性存储器，非常适合嵌入式存储器应用，例如高性能计算和移动应用中的L3(及以上)缓存。目前这一角色通常由超快速易失性静态RAM(SRAM)实现，但其对SRAM位密度的工艺升级限制，迫使业界急切寻找替代方案。此外，当存储器待机时，SRAM位元受功耗的影响越来越大，故无法实现很低的待机功耗。而MRAM这样的非易失性存储器，不仅有潜力提供更小的位元，而且其非易失特性也能解决待机功耗问题。

SOT-MRAM是从更成熟的自旋转移矩MRAM(STT-MRAM)演变而来的，由于具有更好的耐久性和两个二进制状态之间更快的切换速度，因此具有更好的缓存应用前景。在两种MRAM类型中，磁隧道结(MTJ)构成了存储单元的“心脏”。在这种MTJ中，薄介电层(MgO)夹在铁磁固定层(CoFeB)和铁磁自由层(CoFeB)之间。存储单元写入是通过切换自由层(即MRAM位元的“存储”层)的磁性来完成的，而读取则是通过电流流过MTJ结来测量MTJ的磁阻来实现的。这种隧道磁阻(TMR)可高可低，取决于自由层和固定层磁性的相对取向(即平行(1)或非平行(0))。

图1：MRAMTMR读取原理示意图。(上部分绿色=固定层(RL)；下部分绿色=自由层(FL)；蓝色=MgO介电层；i=读取电流)

STT-MRAM和SOT-MRAM之间的主要区别在于写入所用的电流注入几何结构。STT-MRAM中的电流是垂直注入MTJ的，SOT-MRAM的电流注入则发生在平面内，在相邻的SOT层中——典型情况是像钨(W)这样的重金属层。因此SOT-MRAM中的读写路径是去耦的，显著提高了器件的耐久性和读取稳定性。平面型电流注入则消除了STT-MRAM工作时的开关延迟。2018年，imec首次展示了开关速度快至210ps的高可靠性SOT-MRAM，这种器件具有增强的耐久性(＞5×1010的开关周期)和300pJ的运行功耗。

SOT-MRAM面临的挑战：占位面积、高注入电流、可制造性

由于是非易失性的，SOT-MRAM在高单元密度下可以实现比SRAM低得多的待机功耗。但是由于写入操作需要较大的电流，故动态功耗仍然相对较高。

此外，为了使SOT-MRAM成为嵌入式存储器应用中SRAM的真正竞争对手，需要在提高密度方面进行创新。在固定层和自由层中采用垂直磁化(称为p-MTJ)替代传统的平面型磁化可以提高工艺升级潜力，因为它不再要求存储单元为矩形。

但关键挑战在于器件架构。STT-MRAM采用了柱状结构，是一种双端子器件。当在存储器阵列配置中实现时，每个MTJ单元仅需要一个选择器件(通常是一个(存取)晶体管)，来选用于读取或写入的存储元件。具有独立读写路径的SOT-MRAM则是一种三端子器件。在这种情况下，每个存储元件需要两个存取晶体管：一个用于读操作，另一个则用于写操作。因此，独立的读写路径为可靠性提供了额外的好处，但由于需要额外的存取晶体管(附带额外的金属线)，它们会占用额外的空间。

还有就是工艺问题。2018年，imec展示了在300mm晶圆上采用CMOS兼容工艺实现全面集成的SOT-MRAM器件模块，极大地促进了工业应用。但是SOT-MRAMp-MTJ位元的实际实现，仍然受到在写操作期间需要额外面内磁场(该磁场主要用来打破对称性并确保确定性的磁性切换)的约束。换句话说，如果没有这个磁场，就不可能知道施加写入电流后自由层的最终状态。在SOT-MRAM开发阶段，该磁场可由外部磁场产生，然而最终还是需要在器件内相应位置产生强磁性的紧致磁场。

关键改进步骤

到目前为止，针对单个挑战的解决方案都已经得到成功验证，有些解决方案甚至还是在300mm晶圆上得到成功验证的。

外部磁场的作用也可以通过在用于形成SOT层的硬掩模中嵌入铁磁体来实现，从而消除对外部磁场的需要。铁磁体会在磁隧道结的自由层上产生一个小的均匀平面场。2019年，imec证明这种“无场”开关方法是可靠的，同时能维持SOT-MRAM器件的亚纳秒写入速度。

通过采用电压栅极(VG)辅助方法，可以部分缓解与高写入电流有关的问题。在这种VG-SOT-MRAM器件中，SOT效应再次负责切换自由层，实际上的切换是使用平面内电流来实现的。不过如今，受电压控制的磁各向异性(VCMA)栅极可以通过激发电场(穿过隧道势垒)来降低能量势垒而助力其操作。这样一来，写入操作就只需要较小的电流，从而提高了动态功耗性能。

VG辅助方法的另一个优点是它为多柱/多位器件结构打开了大门。与以前一个MTJ支柱连接一个SOT轨道不同，现在可以在共享SOT轨道上实现四个(或更多)MTJ支柱。在这种多柱多位器件中，可以通过在其VCMA栅极上施加电压来选择单个柱(或位)。这样能够减少其能量势垒，从而有利于切换。通过共享SOT轨道只需要一个(大的)存取晶体管(而不是四个)就能完成写入操作，因此总体上位元会更紧凑。

但到目前为止，与多柱操作完全兼容的无磁场解决方案，业界还没有公开展示过。就像上面所述的那样，对于无磁场开关的解决方案，需要在每个p-MTJ柱中嵌入铁磁体，这在很大程度上牺牲了可扩展性。

将各部分组合在一起：就构成多柱结构中的无场、VG辅助的SOT-MRAM

在IEDM2022上，imec展示了功能齐全的多柱SOT-MRAM器件，可一次性解决上述所有挑战。

图2：压控VCMA效应和多柱器件示意图。(a)栅极电压调制能量势垒实现切换；(b)能够在多柱器件上进行无磁场操作的混合SOT轨道。

首先，通过在称为混合自旋源的公共SOT轨道内实现平面内磁层，该器件实现了可扩展的无磁场解决方案。这个额外的公共平面内磁层耦合到每个单独的存储单元，它的作用就像对应每个支柱的磁场，但不再是每个单独MTJ堆栈的一部分，从而提高了可扩展性。

其次，VCMA效应通过调制和降低实际开关的能量势垒来辅助写入操作，因而消耗较低的开关能量。

图3：参考和无磁场器件在1ns时的能耗与保持率关系的基准图。采用混合SOT轨道的器件具有与参考样品相当的高SOT效率。

再就是，这种VCMA辅助的概念减少了每位所需的晶体管数量，有利于减小面积占用和提高可扩展性。

这种器件方案实现了无磁场切换，具有高开关效率(60fJ/bit功耗)、快操作速度(短至300ps)和高耐久性(大于1012)。它适用于单柱和多位SOT器件，而且300mm集成技术兼容CMOS和后端线。

图4：显示了在没有外部磁场的情况下不同脉冲宽度的开关回路图。可以用短至0.3ns的脉冲获得超快速无磁场SOT切换。

迈向工业应用

上述特性使非易失性SOT-MRAM器件成为高密度末级嵌入式高速缓存应用的可行替代品。

在将这种非易失性SOT-MRAM存储器推向市场之前，还需要完成一些额外的开发工作。当前的工作集中于通过改进SOT轨道和MTJ柱堆叠设计来进一步降低开关能量。此外，imec团队正在致力于SOT-MRAM器件的阵列配置，并将该技术推向工业化。

还可以将SOT-MRAM存储器设想为单独的片外高速缓存芯片的一部分，利用裸片到裸片或裸片到晶片键合技术，将其与逻辑和/或较低级别的高速缓存存储器键合到一起，这在概念上类似于采用3D堆叠式SRAM高速缓存裸片的AMD3DV-cache技术。这种片外解决方案经过在单独裸片上进行优化后，有望比传统的L3嵌入式缓存更具成本效益。

(参考原文：SOT-MRAM Architecture Opens Doors to High-Density Last-Level Cache Memory Applications）

本文为《电子工程专辑》2023年5月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅