MRAM计组.

名词解释：MRAM（Magnetic Random Access Memory）是⼀种⾮挥发性的磁性随机存储器，所谓“⾮挥发性”是指关掉电源后，仍可以保持记忆完整，功能与FLASH雷同；⽽ “随机存取”是指中央处理器读取资料时，不⼀定要从头开始，随时可⽤相同的速率，从内存的任何部位读写信息。

MRAM运作的基本原理与硬盘驱动器相同。

和在硬盘上存储数据⼀样，数据以磁性的⽅向为依据，存储为 0或 1。

它存储的数据具有永久性，直到被外界的磁场影响之后，才会改变这个磁性数据。

它的速度与我们 PC所使⽤的内存相⽐更接近使⽤GMR技术的，⼀般都有 25⾄ 100n s，它拥有静态随机存储器（Static Random Access Memory， SRAM）的⾼速读取写⼊能⼒，以及动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）的⾼集成度，⽽且基本上可以⽆限次地重复写⼊。

MRAM是在 80年代初⾸次提出的。

在 1994年，美国 Honeywe ll公司研发了⼀种使⽤巨磁阻（Giant Magneto Resistive，GMR）薄膜技术的 MRAM，并投⼊了⽣产。

不过，由于它的读取写⼊时间过长并且集成度低，所以应⽤只局限于太空和军事领域。

近年来， MRAM再度发展起来，并以取代 DRAM装置为⽬标。

与现有的快闪内存（FLASH）、静态随机存取内存（SRAM）、动态随机存取内存（DRAM）相⽐， MRAM性能都是⾮常优秀的。

根据美国专业半导体研究机构 EDN分析，如将 MRAM与 DRAM、 SRAM、 FLASH等内存做⽐较，在“⾮挥发性”特⾊上，⽬前仅有 MRAM及 FLASH具此功能；⽽在“随机存取”功能上，则 FLASH⽋缺此项功能，仅 MRAM、DRAM、SRAM具备随机存取优点。

就“读取速度”⽽⾔， MRAM及 SRAM的速度最快，同为 25～100n s，不过， MRAM仍⽐ SRAM快； DRAM则为 50～100n s，属于中级速度；相较之下， FLASH的速度最慢。

非易失性MRAM及其单元结构
MRAM的优异性能使它能较快取代目前广泛采用的DRAM内存及EEPROM闪存，作为新一代计算机的内存。

MRAM目前是新一代计算机内存的最佳候选者，但不是唯一的，与它同期并存的还有FRAM(铁电随机存取存储器）和OUM(Ovshinsky电统一随机存取存储器)，三者科技内涵各有所长,市场预测尚难预料。

MRAM器件的结构
一个二维MRAM存储阵列如图1所示,可见MRAM器件是由相互正交的字线和位线组成删格,每个MRAM单元位于字线和位线的交叉点(即格点）处。

通过每条字线和每条位线的编码可对器件中某个特定的MRAM单元寻址并进行数据写人或读出的操作及程序运行。

图1二维MRAM单元存储阵列
图2 MRAM存储单元(写'0’态)
MRAM单元的结构
MRAM单元的结构如图2所示，它由四层薄膜组成,各层的作用自上而下依次简述如下:
第一层自由层:是存储信息的磁性薄膜，写入的磁场方向可与图中的箭头方向相同或相反;
第二层隔离层:是厚度仅有1~2 nm的非磁性薄膜,它对自旋取向不同的电子有隧穿势垒效应;
第三层钉扎层:是MRAM单元中磁场具有固定方向的薄膜，
第四层交换层:是反铁磁质薄膜。

在MRAM存储单元与外电路交换信息时,确保钉扎层磁场方向不变。

前三层膜将一层非磁性薄膜夹在两层磁性薄膜之间,这样组成的三层结构一般称为自旋阀或隧穿磁阻结(TMJTunneling Magneto-resistive Junction)。

它对MRAM单元的存储功能起重要作用，例如写'0’或写'1'。

mram的分类摘要：1.MRAM 的分类概述2.按存储单元结构分类3.按读写方式分类4.按材料分类5.按应用领域分类正文：MRAM（磁阻随机存储器）是一种非易失性存储技术，具有高速度、高密度和低功耗等特点，被广泛应用于计算机、通信和消费电子等领域。

根据不同的标准，MRAM 可以分为不同的类型。

下面我们将从存储单元结构、读写方式、材料和应用领域四个方面来详细介绍MRAM 的分类。

一、按存储单元结构分类根据存储单元的结构不同，MRAM 可以分为以下两种类型：1.磁隧道结（MTJ）MRAM：磁隧道结MRAM 是较为常见的一种MRAM 结构，其基本单元是由一个磁性隧道结和一个非磁性电极组成的。

通过改变磁性隧道结的磁化方向，可以实现数据的存储。

2.磁阻（GMR）MRAM：磁阻MRAM 的存储单元结构相对简单，主要由两个磁性层组成，中间夹有一个非磁性层。

通过改变磁性层之间的磁阻比，实现数据的存储。

二、按读写方式分类根据读写方式的不同，MRAM 可以分为以下两种类型：1.读写分离型MRAM：读写分离型MRAM 的读写操作是分开进行的，即读取和写入数据分别通过不同的路径来实现。

这种方式的优点是读写速度较快，但结构相对复杂。

2.读写合一型MRAM：读写合一型MRAM 的读写操作是同时进行的，即在读取数据的同时，也可以对数据进行写入。

这种方式的优点是结构简单，但读写速度可能较慢。

三、按材料分类根据存储材料的不同，MRAM 可以分为以下两种类型：1.硬磁材料MRAM：硬磁材料MRAM 使用的是硬磁性材料，如铁氧体等。

这类材料的磁化方向难以改变，因此具有较高的存储稳定性。

2.软磁材料MRAM：软磁材料MRAM 使用的是软磁性材料，如金属膜等。

这类材料的磁化方向容易改变，因此具有较快的读写速度，但存储稳定性相对较低。

四、按应用领域分类根据不同的应用领域，MRAM 可以分为以下两种类型：1.消费电子领域MRAM：消费电子领域MRAM 主要应用于手机、平板电脑等消费电子产品，其特点是读写速度快、存储容量大、功耗低等。

mram的应用场景
MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) 是一种新型的非易失性随机访问存储器，它结合了磁性存储器的非易失性和固态存储器的快速读写速度，具有广泛的应用场景，包括但不限于以下几个方面：
1. 嵌入式系统：MRAM具有高速读写、低功耗、较大的数据存储密度和非易失性等特点，可以用于嵌入式系统的缓存、寄存器、存储器等部件，提高系统的性能和稳定性。

2. 高速缓存：MRAM的读写速度较快，可以用于计算机的高速缓存，提高数据的读取和写入速度，减少访问延迟。

3. 存储器模块：MRAM可以用作存储器模块，用于存储大量的数据。

由于其非易失性特点，即使系统断电，数据仍然可以被保留。

4. 物联网设备：MRAM的低功耗特点使它非常适合用于物联网设备，如智能家居、智能穿戴设备等。

它可以用作设备的存储器，存储临时数据、配置信息等。

5. 汽车电子：MRAM可以用于汽车电子领域，如车载娱乐系统、车载导航系统等。

其非易失性特点使得数据可以在断电后恢复，提高了系统的可靠性。

6. 数据中心：MRAM的快速读写、低功耗等特点在数据中心的服务器、存储系统中得到广泛应用。

可以提高数据的访问速
度，降低系统能耗。

总之，MRAM的应用场景十分广泛，涉及到各个领域，由于其非易失性、高速读写、低功耗等特点，可以用于提高系统的性能、稳定性和能效。

MRAM调研报告MRAM调研报告一、引言随着信息技术的快速发展，人们对存储器的需求也越来越高。

传统的存储器技术，如SRAM（静态随机存储器）和DRAM （动态随机存储器），存在一些局限性，如容量有限、功耗较高等。

为了克服这些问题，新型存储器技术——MRAM（磁性随机存储器）应运而生。

本报告对MRAM技术进行调研，并对其发展前景进行分析。

二、MRAM概述MRAM技术是一种基于磁性原理的存储器技术，利用磁性材料的磁性性质来实现数据的存储和读取。

MRAM由磁性隧穿结构（MTJ）和磁隧穿结构上的传感电路组成。

基于磁性的存储单元可以保持信息的稳定性，即使在断电情况下也能保持数据的完整性，同时具有快速的读写速度和低功耗的特点。

三、MRAM优势1. 高密度和大容量：MRAM技术具有高密度和大容量的优势，可以实现更大的存储容量。

2.非易失性：MRAM存储单元可以在断电情况下保持数据，相比于传统的存储器技术，具有更高的可靠性和稳定性。

3.快速的读写速度：MRAM的读写速度非常快，可以满足大数据量和高速数据处理的需求。

4.低功耗：相比于DRAM和SRAM等存储器技术，MRAM的功耗更低，有助于减少整个系统的能耗。

四、MRAM的应用领域1.智能手机和平板电脑：由于MRAM具有高速读写和低功耗的特点，可以在智能手机和平板电脑等移动设备中用作主存储器，提供更快速的数据访问和更长的续航时间。

2.嵌入式系统：MRAM可以用于嵌入式系统，提供高速和可靠的非易失性存储。

3.数据中心和云计算：MRAM可以应用于数据中心和云计算环境中，提供高速数据存储和处理能力，减少响应时间和能耗。

五、MRAM的发展前景MRAM作为一种新型存储器技术，具有很大的发展潜力。

目前，MRAM已经进入商业化阶段，一些厂商开始推出MRAM产品，并投入大量的研发资源。

MRAM技术还有很多待解决的问题，如成本、稳定性等，但这些问题随着技术的进步和创新将会逐渐解决。

MRAM关键工艺步骤非易失性MRAM芯片组件通常在晶圆厂的后端工艺生产，下面英尚微介绍关于MRAM关键工艺步骤包括哪几个方面.(1)底部电极的形成(参考图1)：经由传统图案化与镶嵌工艺形成的底部电极层需要抛光至平坦，并为MTJ堆栈沉积提供超光洁的表面。

在这个步骤中，测量和控制底部电极的平滑度对组件性能至关重要，必需控制和监控金属电极的终于高度，同时也必需毫无缺陷。

图1：MRAM底部电极(BE)形成。

(2) MTJ堆栈沉积(参考图2)：MRAM是用法单个一体化的机台举行物理气相沉积(PVD)，可以精确地沉积20至30个不同的金属和绝缘层，每个金属层和绝缘层的厚度通常在0.2至5.0nm之间。

必需精确测量和控制每一层的厚度、匀称性、粗糙度和化学计量。

氧化镁(MgO)膜是MTJ 的核心，它是在自由层(free layer)和参考层(reference layer)之间形成障壁(barrier)的关键层，需要以0.01nm的精度举行沉积，以重复实现目标面积乘积(RA)和隧道磁阻(TMR)特性。

RA和TMR是打算组件性能、良率和牢靠性的关键参数，甚至惟独几个缺失的原子也会严峻影响RA和TMR，这说明了为什么量测在MRAM创造中如此重要。

图2：典型的MRAM堆栈沉积范例。

(3) 磁退火：沉积后的堆栈退火确定了参考层(MgO下方的界面)和MgO 穿遂障壁的晶体取向。

通常，MTJ在高温下在磁场中退火，以充实材料和界面质量并确定磁化方向。

在此步骤之后，为了举行工艺控制需要对MTJ的电和磁特性举行监控。

这些是创造mram芯片的关键在线量测(inline metrology)步骤。

(4) MTJ柱图案化(参考图3)：MRAM单元通常是直径约20~100nm的圆形柱。

从光罩到光阻，从光阻到MTJ迭层的图案转移需要精确控制，从而使组件正常运作。

透过非透亮的MTJ堆栈举行微影迭对图案对准是一个挑战。

离子束蚀刻必需保证支柱蚀刻后完好无损，并且在MTJ底部电极上停止蚀刻的同时，不会在其侧壁留下金属再沉积。

MRAM工作原理技术
RAM是一种使用电子自旋来存储信息的存储技术。

非易失性MRAM具有成为通用存储器的潜力，能够将存储存储器的密度与SRAM存储器的速度结合在一起并同时始终保持非易失性和高能效。

MRAM存储芯片可以抵抗高辐射及可以在极端温度条件下运行并且可以防篡改。

MRAM芯片中的数据是由磁存储元件存储。

这些元素是由两块铁磁板组成的，两块铁磁板之间隔着一层薄薄的绝缘层，每一块铁磁板都能保持磁化。

这种结构被称为磁隧道结(MTJ)。

两块极板中的一块是在制造期间被设置为特定极性的永磁体;另一块板的磁化率可以随存储的数据进行改变。

瑞萨电子最近增加了MRAM器件，该器件使用了一种基于垂直磁隧道结(p-MTJ)的专有自旋转移扭矩MRAM (STT-MRAM)。

p-MTJ包括固定且不可改变的磁层、电介质阻挡层和可改变的铁磁存储层。

在编程操作中，根据p-MTJ元素的电流方向，存储层的磁场方向从平行状态(低电阻状态“0”)电切换到反平行状态(高电阻状态“1。

这两种不同的电阻状态用于数据存储和感测。