IBM携手TDK拟将MRAM密度提高20倍

IBM公司与TDK开始了一项研发合作，目的在于实现高密度磁RAM(MRAM)。这个为期4年的项目旨在采用自旋动量转移(spin-momentum transfer)技术将MRAM的密度提高20倍。自旋动量转移是一种写入机制，据说比现有MRAM采用的磁场写入方式功耗更低，占用的位单元(bit cell)也更小。

“过去几年，我们在隧道结MRAM方面已取得一些研究突破，但我们还没有任何设计把它应用于商业芯片。”IBM T.J. Watson研究中心负责考察非易失性存储器的高级经理Bill Gallagher说，“我们认为采用自旋动量转移技术可以降低存储器对功耗的要求，缩小位单元，并将存储器的寿命延长至无限。”

自旋动量技术利用自旋电子的磁性来改变MRAM位单元的磁性。通过把一股自旋极化的写入电流贯穿进位单元的磁层，来实现该单元的0到1(或1到0)的转变。

该技术比现有MRAM功耗更低，所用的位单元也更小。目前所采用的磁隧道结MRAM位单元包含一个晶体管和两个磁层：一个定向磁层和一个由隧道势垒层隔离开的自由磁层。通常，数据写入是通过改变自由层的磁化方向实现的，即让电流流过两根位线(bit line)，以便在正确的位单元上产生磁场。数据读取则通过感应电阻的变化来实现。

由于自旋动量转移MRAM是通过使一股自旋极化的电子流贯穿自由层来实现数据写入，因此电流无需通过位线。但数据读取仍然通过感应电阻的变化实现。

IBM在早前曾与英飞凌共同创立合资公司Altis，研究基于旧写入方法的MRAM，但如今Altis已被瑞士AES公司收购，他们的合作目标仍未达到。之后，IBM又与从英飞凌剥离出来的奇梦达以及台湾旺宏电子合作开发相变RAM(PRAM)。PRAM也是英特尔看好的一种技术。

“当然，现在还有PRAM以及其它存储技术，但我们认为MRAM同时具备了很多优秀的特性，所以最终必将成为主流技术。”Gallagher指出。

从磁隧道结(MTJ)技术产生伊始，IBM就一直是该领域的先驱，而TDK也由于曾在其硬盘磁头中采用隧道结，从而获得了很多关于MTJ设计与可制造性方面的经验。将这些MTJ技术经验用于MRAM可能会成为TDK在非易失性存储器进军硬盘市场时的一大助力。

设计宏图

“TDK在制造可靠性方面的经验将大大有助于我们达到设计目标。”Gallagher表示。这些经验包括将IBM现有的16Mb MRAM设计工艺从180nm缩小到65nm，从而提高存储密度，以及设计更小的位单元(因为新技术中的位单元无需再负担磁编程开销)。工艺节点的缩小有望将MRAM密度提高9倍，从16kb提高到144kb。从9倍到20倍这一步则要靠缩小位单元的尺寸来实现，而这正是TDK的技术派上用场的时候。

该研究将在T.J. Watson研究中心、IBM Almaden研究中心、位于Burlington的IBM ASIC设计中心，以及位于加利福尼亚Milpitas的TDK研发分部进行。

图：第二代IBM Almaden多层喷射沉积系统中包含等离子氧化源，具备金属掩膜功能。该系统用于磁隧道结结构工程。