高密度MRAM再进一步 东芝与NEC开发成功两大关键技术

作为下一代非易失性存储器主流方向之一的磁内存（MRAM，Magnetoresistive Random Access Memory），虽然性能十分出众，但长期以来，由于无法在保证性能的前提下有效提升存储密度，给MRAM未来的商业化设置了障碍，而且，MRAM写入时的电流强度过大也是长期困扰MRAM开发的问题。不过，由东芝与NEC联合组成的MRAM开发小组近日公布了最新的研究成果，将有望使这两个难题得到克服。

东芝与NEC是在2002年开始宣布联合开发MRAM的，之后双方的进步神速，在世界上形成了与IBM/英飞凌、摩托罗拉、东芝/NEC三足鼎立之势。而东芝与NEC的最新成果，将预示着MRAM的开发已经进入高峰期。

东芝与NEC表示，新的存储单元（Cell）的设计将使写数据量的能耗降低一半，并可减少可能出现的写错误，而崭新的MRAM架构则在具备高速度与高性能的同时，有利于开发出高密度大容量的MRAM芯片。

这两项新的技术是在美国旧金山12月14日举行的国际电子元件会议（IEDM，International Electron Devices Meeting）上公布的。

关键技术之一：新形状的MTJ

与现有的DRAM和闪存相比，MRAM更像是它们的结合体，并且综合表现更为出众，它具有高速读/写、高容量、非易失，以及读写次数无限等特点，在系统关机后，仍然可以保留所存储的数据。显然，MRAM的这些性能特点是移动信息应用与处理所非常需要的。但是，MRAM当前的问题是Cell的占用面积过大，写数据时的能耗较高，因此若不能在不降低操作速度的同时来减小Cell的面积并降低能耗，则很难将其商业化，而这两方面也正是东芝与NEC所发表的两大关键技术所针对的难题。

为了减少写入时的电流强度，东芝与NEC设计出与以往形状不同的磁隧道结（MTJ，Magnetic Tunneling Junction）用于在Cell中保存信息。这个MTJ的外形与标准的矩形有些相似，但是在长边的两侧的中央，各有一个半圆拱形凸起。从上方向下看去，就好象一个硬币放在一个矩形物体上。这个看似不起眼的新设计，将使得MRAM的写入电流减半，关使写入时的错误率降低。

关键技术之二：高速交叉点Cell架构

在新形的MTJ基础之上，东芝与NEC还开发出了一种极有前途的新型Cell架构。目前，世界上存在有两种研究多时的MRAM Cell架构。第一种，每个MTJ连接一个晶体管，这种架构有助于保证读取速度，但它将加大了Cell的体积与成本。第二种，是采用交叉点（CP，Cross Point）的连接架构，消除了每个Cell中的晶体管，从而使Cell的尺寸减小，但读取操作的用时将被延长，而且CP的存在也会带来寄生电流，从而使读取错误率上升。

东芝与NEC提出的高速CP Cell架构示意图，其中的F代表制程工艺的尺寸（如常见的0.13μm、90nm等等）

东芝与NEC将新的架构称为“高速CP”（High-Speed CP）Cell架构，它在CP架构的基础上使用一个晶体管控制4个Cell。从而使Cell的面积与传统的CP架构时一样，要比1个Cell+1个晶体管的设计小得多，并且由于有晶体管的存在，使它的读取时间可达250ns，4倍领先于传统的CP Cell架构，并可降低寄生电流的干扰。

最近，东芝与NEC宣布，下一个目标是在2005财年（2005年4月1日至2006年3月31日），利用基于250nm设计规则的MTJ与基于130nm设计规则的CMOS技术，来确定256Mb MRAM芯片所必需的底层技术。