MRAM存储器-0.18微米工艺的测试芯片

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MRAM存储器-0.18微米工艺的测试芯片 [复制链接]

在2003年VLSI技术研讨会上，IBM与英飞凌公司的合作研发团队发布了磁阻RAM(MRAM)阵列的原型，这标志着MRAM技术获得重要的发展动力。该MRAM联盟总监A.R. Sitaram展示了两款均采用0.18微米工艺的测试芯片。这是采用0.18微米设计规则和标准逻辑工艺创建的MRAM原型首次公开亮相。此前，在MRAM开发方面居于领先地位的摩托罗拉公司曾发布过一款4Mb MRAM。

不过，MRAM存储单元的尺寸能否迅速缩小从而使之具有竞争力依然是个问题。128kb的原型阵列每个存储单元面积是1.4平方微米，与目前三种主流的存储器——闪存、SRAM或者DRAM相比，这要大得多。

然而，作为一种非易失性存储器，IBM与英飞凌的MRAM据称具有极优的性能，其存取时间仅为5纳秒，写脉冲也是5纳秒。Sitaram表示，MRAM的存储持久性至少比闪存技术高两个数量级。但他承认，MRAM存储器写一个单元需要6毫安电流，这仍然偏高。双方的合作团队正在研究改善交换层厚度的方法以减小功耗。“如果我们不知道如何改善功耗和单元尺寸，我们就不会开发MRAM，”Sitaram说。

日立公司的一位经理Shinichiro Kimura指出，缩小尺寸是个巨大的挑战。目前为止，已公布的最小MRAM单元尺寸是0.6平方微米，而Kimura认为，MRAM制造商需要将尺寸缩小到约0.1平方微米才能成功。

相比之下，六晶体管SRAM单元在采用90纳米工艺时大约是1平方微米。在VLSI研讨会上，东芝和SanDisk公司公布了一款采用90纳秒工艺的NAND型闪存单元，其尺寸仅为0.041平方微米。此外，东芝的工程师还介绍了一种采用65纳米技术、尺寸为0.11平方微米的DRAM单元。

不过，一位在T.J.Watson研究中心工作的IBM工程师Tak Ning表示，MRAM的速度是如此之快，以至于IBM认为它可以用来取代在服务器中的SRAM。IBM坚信，如果MRAM能够在单元尺寸和速度上击败SRAM，那么MRAM将在服务器领域赢得立足点，并逐渐进入低成本应用。英飞凌则瞄向了不同的目标应用，包括汽车IC，在此领域MRAM的可靠性和持久性将是关键因素。

IBM和英飞凌宣布，他们将在位于法国的合资公司Altis Semiconductor集中制造MRAM存储器。这家合资公司为MRAM产品开发提供了一座使用铜互连的现代化逻辑工艺晶圆厂。

英飞凌的Sitaram在VLSI研讨会上透露，IBM-英飞凌合作团队采用反应式离子蚀刻来定义磁性隧道结(MTJ)，而以往一些技术使用的是离子研磨(ion milling)方式，这令很多与会者感到惊讶。合作团队使用改进的商业喷镀设备来沉淀超薄磁层和绝缘层。约12埃厚的铂锰磁层与氧化铝绝缘层必须极其均匀地敷在整个200毫米晶圆的表面上。

MRAM的一项挑战是如何在开关一个MTJ时不造成相邻位的极性“翻转”。IBM研发中心磁电小组的高级经理Bill Gallagher表示，IBM-英飞凌合作团队已经能够在2%的范围内控制开关的临界点。

在与英飞凌合作的同时，IBM还有两个并行的MRAM开发项目。一项在日本京都进行的研究工作将一个晶体管与一个MTJ相匹配，瞄准的是嵌入式存储器应用。这种1T/1MTJ方法对开关速度进行了优化。

第二种方法是零晶体管，旨在用MRAM来替代闪存，瞄准的是独立的大容量存储应用。据Gallagher介绍，这种方法又被称为交叉点架构，它使用字(word)线和位(bit)线来控制对单个存储单元的访问。零晶体管方案能够堆叠多个MTJ，达到两倍于1T/1MTJ方法的密度。“我们能够垂直堆叠2到4个、甚至6到8个MTJ，这取决于我们怎样利用这种方法，”Gallagher说。但他把这种交叉点技术描述为第二代技术，并称它不是那么容易实现的。