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前段时间，我们简要介绍了MRAM技术，主要是从将其与FRAMs进行对比，由一篇关于基于mram的触发器的特定论文触发。这是MRAM概念的一个不同寻常的实现，它恰好提供了一个快速的技术对比，但并没有真正触及MRAM的核心。所以我们将在这里深入探讨，希望旋转技术最终的意义不仅仅是让我头晕的技术。它所擅长的东西。

首先，让我们回顾一下为什么这很重要。MRAM有可能挑战sram、dram和各种类似flash的技术。希望它是快速的，廉价的，不易挥发的，具有无限的耐力。它可以用于独立存储器或soc中的嵌入式存储器。在过去十年中，MRAM的承诺吸引了各种各样的参与者，但它的实现时间比许多人希望的要长，导致一些公司退缩并停止开发。

但工作仍在继续，MRAM的几种口味存在，要么在生产中，要么在研究中(或介于两者之间)。理解不同类型的IC需要我们回到一些基本的概念，而不是更舒适的IC概念。记住，这是一个研究领域;这项技术的某些方面还没有被物理模型完全解释清楚，所以比我聪明得多的人还在摸不着头脑。这让我感觉好多了。一些。

磁性材料的多种表现形式

当我长大后，磁力很简单。有些材料含有铁;一些没有。事实上，大多数人都没有。磁性材料可以被磁化;非磁性材料不可能。一个美好、干净、简单的世界。

事实证明，材料并没有那么简单。在“磁性”范畴内有几种变体。最常见或最熟悉的是更准确地称为“铁磁”。在铁磁材料中，通过施加一个外场，可以永久地排列所有原子磁畴。换句话说，你的基本磁铁。

但也有一种叫做“反铁磁性”的东西。在这种情况下，原子行交替其磁极。在大图中，由于两个极性出现在相同的数字(正负一行)中，具有相同的强度，因此材料没有净磁特性。但是，就在边缘处，铁磁材料可以感受到反铁磁材料中最近的一排原子的影响。这种情况只发生在极短的距离上，但是，话又说回来，我们的整个讨论涉及到几纳米的维度——我们说的是原子尺度。这种检测反铁磁材料边缘的能力将在未来被证明是有用的。

为了完整起见，在铁磁性和反铁磁性之间还有一种东西——“铁磁性”。这就像反铁磁，除了交变磁方向的一个比另一个强，所以材料表现出轻微的净场，因为没有完全抵消。

所有这些物质都有一定的温度，超过这个温度它们就不再具有磁性了。在这一点上，它们变得“顺磁性”，这意味着，虽然它们仍然可能对外部场表现出一些微弱的反应，但它们无法保持这个场;基本上，原子晶格中所有干净稳定的排列都消失了。

听到了吗?

现在我们已经掌握了不同种类的磁性物质，我们来看看使所有这些工作的关键现象。事实证明——这就是事情开始转向奇怪领域的地方，就像量子习惯做的事情一样——电子有自旋，可以向上也可以向下。这使电子具有磁极。事实上，这个领域的居民将电子电流分为两个“通道”:一个自旋向上，一个自旋向下。

这意味着电流可以被磁铁极化。流过磁铁的电流会让自旋的电子比自旋相反的电子更容易通过。在这里工作的确切机制似乎是继续研究的主题，这取决于材料(偏转电子?重极化电子，消耗能量?不同的有效电子质量取决于是否年代式或pd式吗?嗨!谁把我弄出去!)但底线是:如果你让电子通过一个磁铁，你会极化电流;也就是说，一个通道比另一个通道更容易通过。如果你让极化电流通过与第一个磁体对齐相同的第二个磁体，容易通道仍然容易流动，而硬通道仍然会有困难。但是，如果你让极化电流通过第二个反向排列的磁体，它现在会使原本容易的通道变得困难。

所以让我们再看一遍:让电流通过两个相同对齐的磁铁，拧紧两个通道中的一个;让电流通过两个方向相反的磁铁，将两个通道都拧起来(“拧起来”是一个半技术性的近似，我可以把我的脑袋绕起来)。两个通道拧坏比一个通道拧坏产生的阻力更大。因此，当磁体反向排列时，整个线圈的电阻更高。

因为电子相对于层的自旋导致电流在某种程度上被节流(松散地说)，这种结构被称为“自旋阀”。电阻的差异可以在百分之十的范围内，这对第一个发现者来说是巨大的。所以这种现象被称为巨磁电阻率，简称GMR。认真对待。

说句题外话，某些材料被发现有类似但不同的效果，电阻差异是几个数量级左右。这个更大。考虑到“巨大”已经被占用，他们需要一个更大的词，所以这种效应被称为“巨大磁电阻率”或CMR。这不是我编的。目前还没有任何物理模型可以解释CMR;在这一点上，它是在杂草。我们就讲到这里。

硬细胞

回到巨人的世界，我们有两种不同的电阻，这取决于磁铁的相互对齐，所以我们有一种存储1和0的方法——如果我们能控制的话。为了建造这个电池，我们从一个固定极性的磁铁开始——所谓的“固定”或“参考”层——让另一个磁铁是可调节的——所谓的“自由”层。这一切都建立在所谓的“纳米柱”中，这是一堆材料，主要由这两个几纳米厚的铁磁层组成，由另一层分开，我们将在一分钟内讨论。研究人员做了一些事情，比如摆弄柱子的形状，限制电流流向的地方，来设计电场的性质，但这超出了我们的-好吧，我的-理解。

为了帮助稳定固定层的场，反铁磁层被放在它的正下方。这一层本身没有磁性，但就在边缘，如果你回忆一下，边界层确实对它接触的铁电层有小的磁性影响，这有助于“偏向”固定场。现在我们的堆栈由，从下到上，反铁磁层，固定铁磁层，我们还没讨论过的层，和自由铁磁层组成。还有其他封盖层之类的，但那些只是帮助处理诸如可制造性或可靠性之类的琐碎问题;我们不用担心这些。这些堆栈使用的具体材料也留给读者作为练习*。

现在我们有了这个垂直的材料堆，通过电流通过并感应电阻，我们可以确定这个堆是极化为1还是0。也就是说，我们可以读取单元格的内容。

有一个细节我一直在回避:我们有两个铁磁层，一个固定，一个自由，被……什么东西隔开。最早的实现中有金属;整个堆栈就是一根复杂的导线。当您看到GMR技术的通用引用时，这可能就是它所指的内容。它在现代磁盘驱动器中非常常用。但是所涉及的电流很高-比我们想要的SoC或硅存储器实现高得多。

对于非盘式使用，可以使用薄绝缘体，而不是在磁铁之间夹金属，电流通过绝缘体。这将电流降低到一个可管理的水平。这种结构被称为隧道磁阻(TMR)。TMR这个名字经常被用作GMR的对比，但实际上，两者都利用了GMR现象。这只是磁铁之间的问题:导体还是绝缘体。

这种隧穿元件被称为“磁隧结”，简称MTJ。它在磁盘驱动器中也有作用:读头中使用单个MTJ。但在读头上放置单个MTJ是一回事;在一个芯片上赚上十亿或二十亿是另一回事。使MRAM技术发挥作用的挑战是创建大量可写、可读的、可可靠制造的mtj。

有工作的时候再写信

这就把我们带到了最后一个临界点:如何改变自由层的极性?也就是问，如何向单元格写入数据?我们将重点关注TMR，因为这与ic相关。虽然已经有许多有趣的几何形状来创建磁场(其中一种在前一篇文章中提到过)，但有两种标准的切换自由层的方法，其中一种已被证明并已投入生产，另一种仍在研究中。

经过验证的开关自由磁体的方法是在每个MTJ上方(或下方或周围)交叉一组导线。每根垂直的纳米柱都可以通过选择正确的行线和列线并通过电流来实现。电流通过导线会在导线周围产生磁场。如果每根交叉导线的电流都刚刚超过开关磁铁所需电流的一半，那么只有在所需纳米柱的正上方，也就是导线交叉的地方，它们的场才会结合成一个足够大的整体场，从而翻转自由层。这被称为场致磁开关(FIMS)，因为您正在使用生成的场来进行开关。

另一种开关技术采用了一个听起来颇为奇特的名字——自旋转矩传递(STT)。不是通过水平的行线和列线组成的网格中的电流来进行开关，而是通过通过电池本身垂直运行的电流来进行开关。这个想法是，通过运行足够的极化电流，你可以在电子通过自由层时将自旋扭矩转移到自由层，从而翻转其磁极。这可能是过于简化了，现在可能有一些磁学家在讨论这个问题，但这就是事情的本质。与FIMS相比，这有时被称为电流诱导磁开关，或CIMS，尽管STT是更常见的名称。

虽然STT是每个人都在追求的长期目标，但它似乎还没有准备好进入黄金时段;真正有生产价值的材料估计在2010年到2012年之间。需要解决的问题包括减少编程所需的电流等显而易见的问题，以及通过减少磁矩在开关后稳定之前的进动或摆动来加快编程的微妙问题。我会让自己的头暂时停止摇晃，然后再尝试潜入更深的地方。

坐下，我没叫你

从理论上讲，这一切都很美好，但生命——尤其是在量子世界里——并不干净或精确。例如，并非所有单元格都需要完全相同的字段进行切换。因此，您需要提供足够的字段来确保顽固的单元格将被翻转，但这意味着您可能会意外地翻转一些您不打算写入的简单单元格。对于第一代MRAM来说，干扰余量一直是一个问题。

负责Crocus Technology业务开发的Barry Hoberman指出，要使这项技术真正有用，必须管理三个关键方面:稳定性、选择性和可伸缩性。每个细胞必须相对不受干扰，这些干扰可能会诱使它在不应该的时候切换状态;当你选择要写入的单元格时，你需要知道只有该单元格会被写入;你想要有一个可以在可伸缩阵列中使用的电池，并且可以随着未来的技术进行扩展。

所有这些的关键之一可以归结为确保只有正确的磁铁被翻转。让磁铁翻转的难易程度被称为它的“矫顽力”。读取时要有低的矫顽力这样它就不会在不该翻转的时候被欺骗，但写入时要有高的矫顽力-如果是你想写入的单元格。通过使用热辅助开关(TAS)，也称为磁-热MRAM，可以提高FIMS或STT的稳定性和选择性。这利用了铁磁材料可以被设计成具有特定的“阻塞温度”，其中矫顽力发生了巨大变化。在凝固温度以下，矫顽力较低;在凝固温度以上，矫顽力高。

这意味着，如果你正确地设计材料，你可以在工作温度下拥有坚固、坚硬的电池，但在更高的温度下，电池则更柔软、更柔韧。你可以使用电流自我加热电池，阻塞温度可以安全地放置在工作水平之上，但足够低，所以它不需要巨大的加热电流;番红花的目标温度在150°C左右。

对于使用行/列线的FIMS单元，您可以在MTJ上添加一个选择晶体管，并在写入时拉动电流。所选单元格将被加热，从而减少写入它所需的电场，从而减少行导线和列导线中所需的电流。未被选中的电池有两种保护方式:它们没有被加热，所以矫顽力很低，较小的磁场使意外翻转的可能性更小。

虽然这显然有助于稳定性和选择性，但它也有助于进程扩展。对于更高级的流程节点，杂散字段可能成为更大的问题;一个更健壮的细胞使这不是一个问题。此外，与电流密度相关的各种二阶可靠性问题开始出现;由于电流较低，它们被减轻了。

TAS理论上也可以与SST一起使用，SST已经有一个可选择的电流流过它，用于特定的写入目的。然而，目前还不清楚在这一领域是否已经做了任何工作，因为大部分工作都致力于让STT机制首先工作。

谁在船上?

因此，总的来说，我们有两种技术:FIMS和STT/CIMS，其中任何一种都有TAS可用。谁在用这些东西做什么?对公共信息的扫描和一些解码显示:

NVE将其技术授权给摩托罗拉、霍尼韦尔和赛普拉斯(不再做MRAM)。
飞思卡尔销售的FIMS MRAM基于摩托罗拉从NVE获得的授权和改造技术;它将这项业务剥离出来，成立了一个独立的公司，名为Everspin．他们也在研究STT MRAM。
霍尼韦尔拥有NVE授权的抗辐射MRAM。
番红花属是一家致力于FIMS+TAS的初创公司，长期致力于STT技术。
检测结果已开发并授权STT技术供DARPA、Hynix和瑞萨使用。
瑞萨许可2005年Grandis的技术;预计该设备将在未来一两年实现商业化。
海力士宣布2008年4月，他们授权了格兰迪斯的技术。今年6月，他们还宣布与三星合作开发STT MRAM和其他技术。
同时正在研究用于军事/航空应用的III-V型半导体MRAM。
自旋转移技术由Allied Minds和纽约大学成立，开发STT MRAM。
北极光销售一种他们称之为EMRAM(或嵌入式eEMRAM)的东西。从他们的信息中很难判断这是否与MRAM相同，因为他们没有在他们的网站上讨论他们的技术细节。
还有其他一些公司在文献中随处可见——IBM与英飞凌、英特尔和索尼的合作——但最近没有任何消息，在他们的网站上搜索MRAM的结果没有得到任何产品信息(或者什么都没有)。