一、 MRAM技術(shù)介紹

從1990年代開始，磁阻式隨機(jī)存取內(nèi)存 (Magnetoresistive Random Access Memory， MRAM)開始發(fā)展，MRAM是一種非揮發(fā)性內(nèi)存NVM技術(shù)，擁護(hù)者認(rèn)為，MRAM技術(shù)速度接近SRAM，具有快閃存儲(chǔ)器的非揮發(fā)性，容量密度及使用壽命不輸DRAM，平均能耗遠(yuǎn)低于DRAM，有望成為真正的通用型內(nèi)存 (Universal memory)。

與傳統(tǒng)的RAM技術(shù)不同，MRAM不以電荷或電流存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，而是由磁性隧道結(jié)MTJ (Magnetic tunnel junction)磁性存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。原理性的MTJ有三層結(jié)構(gòu)，包括兩個(gè)鐵磁性板和一個(gè)將它們分開的磁通道隔離層 (Magnetic tunnel barrier,)組成，其中一層鐵磁性板是固定磁化的永磁體 (fixed layer或pinned layer, 即固定層); 另一層鐵磁性板的是自由磁化即可以改變磁化 (free layer或storage layer, 即自由層)以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。現(xiàn)已有多種MTJ結(jié)構(gòu)，見圖1：

 

圖1 不同MTJ類型

1.  MRAM讀取數(shù)據(jù)技術(shù)基本相同：

MRAM中鐵磁性板具有相同的磁化方向時(shí)MTJ處于低電阻狀態(tài)，視為“0”，而相反的磁化方向時(shí)MTJ處于高電阻狀態(tài)，視為“1”。通過測量MTJ的電阻來實(shí)現(xiàn)讀取數(shù)據(jù)。通過向MTJ連在其漏極上的晶體管提供電流，電流從電源線通過MTJ切換地，通過測量所得到的電流，可以確定阻值高低，而確定所讀數(shù)據(jù)是“0還是1”，從而完成讀取。

2.  MRAM寫入技術(shù)種類較多：

MRAM工作原理是磁阻效應(yīng)，由此衍生出不同數(shù)據(jù)寫入方式。

2.1  磁寫入：應(yīng)激磁場翻轉(zhuǎn)自由層的

磁寫入是經(jīng)典的第一代MRAM，最基本的存儲(chǔ)單元是 (TOGGLE CELL)，如圖2所示，一個(gè)TOGGLE CELL包括： MTJ、漏極和MTJ固定層間接互連的晶體管、與MTJ自由層耦合的220位線BL (bit line)、與晶體管源極互連的230數(shù)位線 (digit line)、和240字線 (word line)。

  

圖2 toggle cell 示意圖

磁寫入的工作中，晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，在位線220中施加如圖向右的電流產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)磁場250、數(shù)位線230中施加如圖電流產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)磁場260，從而改變MTJ中自由層的磁化，寫入儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。

隨著制程進(jìn)一步升級(jí)至20納米甚至10納米，MTJ尺寸越來越小，要改變自由層的磁化，就需要更強(qiáng)的翻轉(zhuǎn)磁場，要求施加在位線和數(shù)位線中的電流越來越大。電流密度和耗能成倍增加。從經(jīng)濟(jì)性角度，磁寫入不利于MRAM尺寸的小型化，無法普遍商業(yè)化。

在這種情況下，MRAM寫入技術(shù)走進(jìn)了以自旋電子注入 (spintronics injection)自由層的方式來改變自由層磁化的發(fā)展方向。

2.2  電寫入 (自旋寫入)：自旋極化電子注入翻轉(zhuǎn)自由層

自旋寫入是第二代MRAM，也是現(xiàn)在主流的NVM技術(shù)。主要是自旋力矩轉(zhuǎn)移MRAM (STT-MRAM)。寫入時(shí)，流經(jīng)MTJ自身的電流脈沖來完成自由層磁化的切換。技術(shù)原理是：由自旋極化隧道電流 (spin polarized tunneling current)攜帶的角動(dòng)量 (angular momentum)引起自由層的反轉(zhuǎn)，自由層的磁化 (與固定層平行或相反)由電流脈沖的極性確定。如圖3所示，一個(gè)最基本的STT-MRAM存儲(chǔ)CELL包括305MTJ、與MTJ自由層互連的位線320、漏區(qū)連接在MTJ固定層的晶體管310、位于晶體管柵極附近的字線330、以及連接在晶體管源區(qū)的源線340 (source line)。

 

圖3 STT-MRAM存儲(chǔ)CELL示意圖

一種自旋寫入的流程為，如圖3左下所示，晶體管處于開啟狀態(tài) (這是與TOGGLE CELL寫入關(guān)閉晶體管不同)，在位線上施加電流，流經(jīng)MTJ（此時(shí)極化電子從固定層流向自由層），使得自由層與固定層的磁化相同，MTJ處于低電阻狀態(tài) (在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，允許通過MTJ的電流多)，值為“0”；如圖3右下所示，在源線上施加電流，流經(jīng)MTJ（此時(shí)極化電子從自由層流向固定層，與固定層相同極化的電子通過固定層，相反極化的電子將被反射回自由層），使得自由層與固定層的磁化相反，MTJ處于高電阻狀態(tài) (在讀取數(shù)據(jù)時(shí)，允許通過MTJ的電流少)，值為“1”。

二、 全球MRAM專利檢索結(jié)果及重要申請(qǐng)人

圖4  全球MRAM申請(qǐng)年度分布 [件] 

如圖4所示， MRAM相關(guān)專利技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r為：從1990年全球開始研發(fā)MRAM技術(shù)，1990~1997年，MRAM專利申請(qǐng)少，技術(shù)處于萌發(fā)期。1998開始，從年申請(qǐng)量74不斷增加，僅過5年，2002年申請(qǐng)量即突破1000件大關(guān)，說明1998~2002年MRAM技術(shù)取到突破，技術(shù)處于快速增長期。2003年全球MRAM專利申請(qǐng)達(dá)到1513件后，稍有下滑并進(jìn)入平穩(wěn)增長過程，說明2003年以后MRAM技術(shù)處于穩(wěn)定發(fā)展期，處于不斷的探索改進(jìn)階段，有待于取得新的突破性進(jìn)展。

 

 圖5  全球MRAM專利申請(qǐng)人及其申請(qǐng)量分布 [件]

對(duì)申請(qǐng)人經(jīng)過系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化處理，將同一申請(qǐng)人不同的名稱標(biāo)準(zhǔn)化，得到如圖5所示的全球MRAM相關(guān)專利申請(qǐng)量排名前50的申請(qǐng)人。前50申請(qǐng)人來看基本上均為國外申請(qǐng)人，表明在MRAM技術(shù)目前主要掌握在國外申請(qǐng)人手中。

主要申請(qǐng)人中排名前20的申請(qǐng)人有TOSHIBA (東芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星電子)、SONY (索尼)、ＩＢＭ、RENESAS ELECTRONICS (瑞薩電子)、SK Hynix (SK 海力士)、QUALCOMM (高通)、NEC (日本電氣)、INFINEON TECHNOLOGIES (英飛凌科技)、HEWLETT-PACKARD (惠普)、TDK、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)、TSMC (臺(tái)積電)、EVERSPIN TECHNOLOGY (艾爾斯賓科技公司)、  FREESCALE SEMICONDUCTOR (飛思卡爾半導(dǎo)體)、HEADY TECH (海德威科技公司)、SEAGATE TECHNOLOGY  (希捷科技)、CANON ANELVA (佳能安內(nèi)華) 、MOTOROLA  (摩托羅拉)、CROCUS TECHNOLOGY  (科羅庫斯科技)。

其中，以TOSHIBA (東芝)的申請(qǐng)量最大，是第二名SAMSUNG ELECTRONICS (三星電子)的差不多兩倍，占總申請(qǐng)量的11%，前5占總申請(qǐng)量的30%將近1/3,前10占總申請(qǐng)量的47%將近一半，前20占總申請(qǐng)量的62%，將近2/3，從以上前20申請(qǐng)人可以知道，主要申請(qǐng)人主要來自于日本，其次為美國，然后為韓國和中國臺(tái)灣。

 

圖6  MRAM專利申請(qǐng)人申請(qǐng)趨勢分布 [件]

針對(duì)圖5中排名前20的申請(qǐng)人進(jìn)行主要申請(qǐng)人申請(qǐng)態(tài)勢分析，結(jié)果如下圖6 MRAM相關(guān)專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)人申請(qǐng)趨勢。圖中不同顏色面積代表不同申請(qǐng)人的相應(yīng)專利申請(qǐng)量，從該圖可以看出，在該技術(shù)領(lǐng)域近20年來，TOSHIBA (東芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星電子)、SONY (索尼)、IBM、RENESAS ELECTRONICS (瑞薩電子)、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)在該技術(shù)領(lǐng)域具有持續(xù)穩(wěn)定的專利申請(qǐng)，而其他申請(qǐng)人申請(qǐng)都并不是很連貫，近年來的主要申請(qǐng)人有TOSHIBA (東芝)、SAMSUNG ELECTRONICS (三星電子)、QUALCOMM (高通)和SK Hynix (SK 海力士)，其次為IBM、MICRON TECHNOLOGY (美光科技)和EVERSPIN TECHNOLOGY (艾爾斯賓科技公司)，表明近年來以上申請(qǐng)人在該領(lǐng)域有比較大的投入研究。

三、 全球MRAM專利技術(shù)分析

1.  全球總體技術(shù)分析

選取其中申請(qǐng)量前10的技術(shù)分類，如圖7趨勢可以知道，最近申請(qǐng)量呈現(xiàn)明顯上升勢頭的有：H01L43/08 磁場控制的電阻器， G11C11/16 應(yīng)用磁自旋效應(yīng)的存儲(chǔ)元件，H01L43/12 專門適用于制造或處理這些器件或其部件(應(yīng)用電—磁或者類似磁效應(yīng)的器件)的方法或設(shè)備，H01L27/22 包括有利用電—磁效應(yīng)的組件的，例如霍爾效應(yīng)；應(yīng)用類似磁場效應(yīng)的，以及H01L43/10 應(yīng)用電—磁或者類似磁效應(yīng)的器件,材料的選擇，表明這些技術(shù)分類近來的研究上有比較大的進(jìn)展，值得關(guān)注，而對(duì)于其技術(shù)分類，特別是G11C11/15 應(yīng)用多層磁性層的，H01L27/105 包含場效應(yīng)組件的，H01L21/8246 只讀存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，在上一周期1999-2003年發(fā)展迅速，但近來申請(qǐng)趨于衰落，表明所述的技術(shù)分類在近來的研究中處于瓶頸或者目前并不具有發(fā)展優(yōu)勢。

圖7  全球MRAM專利主要申請(qǐng)技術(shù)分類發(fā)展趨勢

H01L43/08 磁場控制的電阻器; G11C11/16 應(yīng)用磁自旋效應(yīng)的存儲(chǔ)元件的; G11C11/15 應(yīng)用多層磁性層的；H01L21/8246 只讀存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu); H01L27/105 包含場效應(yīng)組件的;G11C11/00 以使用特殊的電或磁存儲(chǔ)元件為特征而區(qū)分的數(shù)字存儲(chǔ)器；為此所用的存儲(chǔ)元件; H01L43/12 專門適用于制造或處理這些器件或其部件(應(yīng)用電—磁或者類似磁效應(yīng)的器件)的方法或設(shè)備;H01L27/22 包括有利用電—磁效應(yīng)的組件的，例如霍爾效應(yīng)；應(yīng)用類似磁場效應(yīng)的; H01L43/10 應(yīng)用電—磁或者類似磁效應(yīng)的器件,材料的選擇; H01L29/82 通過施加于器件的磁場變化可控的。

2.  MRAM技術(shù)聚類分析:

下圖8 為MRAM相關(guān)專利聚類地圖，其中，同一顏色表示聚類相近的專利技術(shù)，白色標(biāo)簽處為技術(shù)的聚集點(diǎn)，白色標(biāo)簽為該技術(shù)聚集點(diǎn)的主要關(guān)鍵詞，地圖上的柱狀分別代表不同的主要申請(qǐng)人，從該地圖上可以看出，主要申請(qǐng)人在各個(gè)技術(shù)聚類上都有對(duì)應(yīng)申請(qǐng)，TOSHIBA（東芝）在各個(gè)技術(shù)聚類上都有最多或較多的申請(qǐng)，在主要關(guān)鍵詞為“磁性 磁性隧道 磁阻 自旋 磁阻原件”的技術(shù)聚集點(diǎn)上，所有主要申請(qǐng)人都有做為重點(diǎn)進(jìn)行申請(qǐng)，表明該技術(shù)方向可能為MRAM的主流技術(shù)方向，另外，SAMSUNG ELECTRONICS（三星電子）在主要關(guān)鍵詞為“電阻 電阻式存儲(chǔ)器 操作 可變電阻 數(shù)據(jù)” 的技術(shù)聚集點(diǎn)上有最多的申請(qǐng)。

圖8  MRAM相關(guān)專利聚類地圖

3.  MRAM技術(shù)路線分析:

根據(jù)被引用次數(shù)處于前20的相關(guān)專利，繪制如下圖9的技術(shù)路線圖，從該路線圖開業(yè)看出，其時(shí)間段從1996-2005，其技術(shù)主要圍繞以下幾個(gè)方向的改進(jìn)：

1） 本身結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，包括各層結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，如US5640343 MT結(jié)構(gòu)高度控制；US616948 MTJ存儲(chǔ)單元具有形成為兩個(gè)鐵磁膜的自由層，減小陣列；US6714444層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其具有高的輸出信號(hào)等；

2） 半導(dǎo)體器件形成工藝控制，如US5654566磁自旋注入場效應(yīng)晶體管工藝，US5940319防止制備過程中的高溫降解設(shè)計(jì)，US20050146927A1蝕刻過程的保護(hù)設(shè)計(jì)；

3） 外部設(shè)置影響，如US5793697提供電壓源控制MTJ電阻，US6385082設(shè)置加熱元件，防止寫入干擾，US20060180880A1設(shè)置磁場保護(hù)裝置避免外界磁場影響等；

4） 材料的改進(jìn)，如US5976713TMR材料改進(jìn)，US6834005自由層材料改進(jìn)。

圖9  全球MRAM專利技術(shù)路線地圖

四、 結(jié)論

1. 全球MRAM專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)國依次為美國，其次為日本，然后是中國、PCT申請(qǐng)、臺(tái)灣、歐洲和德國；技術(shù)主要申請(qǐng)人主要來自于日本、美國以及韓國和臺(tái)灣，國內(nèi)申請(qǐng)人很少。國內(nèi)很有必要加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究，彌補(bǔ)此方面技術(shù)的落后。

2. 2000~2003年全球MRAM專利申請(qǐng)?zhí)幱诳焖僭鲩L期，期間內(nèi)的專利被引用的次數(shù)也最多， MRAM技術(shù)有比較大的突破。2003年以后，MRAM技術(shù)研發(fā)處于平穩(wěn)發(fā)展期。

3. MRAM專利主要申請(qǐng)人依次為，TOSHIBA（東芝）、SAMSUNG ELECTRONICS（三星電子）、SONY（索尼）、IBM、RENESAS ELECTRONICS（瑞薩電子）、MICRON TECHNOLOGY（美光科技）,這些廠商具有持續(xù)穩(wěn)定的專利申請(qǐng)。近年來的主要申請(qǐng)人有TOSHIBA（東芝）、SAMSUNG ELECTRONICS（三星電子）、QUALCOMM（高通）和SK Hynix（SK 海力士），其次為IBM、MICRON TECHNOLOGY（美光科技）和EVERSPIN TECHNOLOGY（艾爾斯賓科技公司），表明他們?cè)贛RAM領(lǐng)域持續(xù)研發(fā)積累技術(shù)。

4. MRAM專利技術(shù)研發(fā)主要領(lǐng)域有：H01L43/08 磁場控制的電阻器，G11C11/16 應(yīng)用磁自旋效應(yīng)的存儲(chǔ)元件的，H01L43/12 專門適用于制造或處理這些器件或其部件(應(yīng)用電—磁或者類似磁效應(yīng)的器件)的方法或設(shè)備，H01L27/22 包括有利用電—磁效應(yīng)的組件的，例如霍爾效應(yīng)；應(yīng)用類似磁場效應(yīng)的，以及H01L43/10 應(yīng)用電—磁或者類似磁效應(yīng)的器件。值得注意的是，材料的選擇等技術(shù)分類上申請(qǐng)有明顯的上升趨勢，表明這些技術(shù)分類近來的研究上有比較大的進(jìn)展，值得特別關(guān)注。

5. MRAM專利技術(shù)主要圍繞以下幾個(gè)方向的改進(jìn)，各層結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及整個(gè)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；其在半導(dǎo)體器件中形成工藝控制；外加裝置控制；各層材料改進(jìn)。

來源：SIMIT戰(zhàn)略研究室

作者：陳棟