自旋转移力矩磁阻随机存储器的技 术发展和关键技术专利技术综述 ·...

自旋转移力矩磁阻随机存储器的技术发展和关键技术专利技术综述

国家知识产权局专利局

电学发明审查部 杨蕊

主要内容

意见和建议

关键技术及技术路线

STT-MRAM专利分析

技术分解及检索

STT-MRAM及发展现状

电子信息产业的重要元件

2014，全球存储器市场规模约750亿美元，占全球集成电路市场份额的25%

25%

2014，我国是全球 大的电子信息产业基地，电子整机所用存储器市场需求约2465.5亿元，占我国集成电路市场规模的23.7%

23.7%

2014年，我国集成电路进口额2176.2亿美元，是我国进口额 大的产品，其中存储器进口额占24.9%。

全球市场份额

中国市场份额

24.9%

进口额

• 行业特点“三高”：高技术壁垒，高资金壁垒

，高度垄断

• 《国家集成电路产业发展推进纲要（2015‐2025）》——研发新型存储等关键芯片

• 国家存储器基地的筹建

SRAM DRAM FLASH MRAM

非易失性 否 否 是 是

常规尺寸F2 50‐120 6‐10 5‐10 16‐40

读写时间 ns 1‐100 30 10‐50 3‐20

读写次数 较多 较多 有限 理论无限

写入能量 低 低 高 较高

其他能量 漏电流 刷新电流 否 否

非易失性

DRAM的

高集成度

SRAM的

高速读写能力

理论上无限次重复写入

巨磁阻：磁性材料的电阻率，在有外磁场作用下和无外磁场作用下相比，有巨大变化。

多层膜：如Fe/Cr/Fe。

平行状态——阻值较小反平行状态——阻值较大

绝缘层以Al2O3代替GMR中的Cr

隧穿电流的大小取决于两个铁磁层的相对磁化方向

与GMR相比具有更高的磁场

灵敏度

• 位线与写入线相互垂直，两根

线交叉处产生一个磁场的峰值•峰值>开关阈值 磁化方向翻转

•完成存储单元的写入功能

• MOS管打开，相同读取电流

时输出电压取决于磁隧道结的高低•磁化方向平行，电阻小•磁化方向相反，电阻大

功耗

• 需要大的写入电流

以产生足够的写入磁场，功耗较高

体积

• 单元间存在串扰，

导致单元的间距不能太小，限制集成度

受位线影响的“半选中”

受写字线影响的“半选中”

降低MTJ状态的开关能量，

出现翻转的机率增加，相邻MTJ易存在干扰

什么是STT?流过磁隧道结的极化电流可以使磁性材料的磁化方向翻转

直接利用电流将“0”“1”写入到

磁介质中

自旋方向与铁磁层的磁矩方向相同的电子，所受的散射较小；

自旋方向与铁磁层的磁矩方向相反的电子，所受的散射较多；

磁化方向向上的电子更易通过终达到自由层与固定层的极化方

向一致

统一自旋方向的电子又形成极化电流，对自由层原子同样产生力矩，使磁矩向下翻转

• 位线和源极间施加不同的电压

•产生流过MTJ写入电流改变MTJ的磁化方向

自由层

绝缘层

固定层优点：1.仅依靠电流就可以改变自由层的磁化方向，无需磁场；2.可解决相邻单元串扰问题3.提高存储密度

优点：1.仅依靠电流就可以改变自由层的磁化方向，无需磁场；2.可解决相邻单元串扰问题3.提高存储密度

三星收购Grandis11nm STT-MRAM

2009 2011 2012 2013-142009 2011 2012 2013-14

45nm工艺STT-MRAM

共同研发STT-MRAM扩大专利交叉许可

研发高密度STT-MRAM

Everspin发布工业级 STT-MRAM 仅用STT-MRAM

的运算存储降低60％功耗

2015年开始研制pMTJ的STT-MRAM，2017年预计提供STT-MRAM产品Aupera Technologies应用该产品

预计2019年提供STT-MRAM

发布STT-MRAM 1-Mb试验芯片与传统的SRAM相比可降低80%功耗

投资13亿建设存储器研发与实验室

购置制造pSTT-MRAM材料的设备研制超低功耗数据pSTT-MRAM芯片

主要内容

意见和建议

关键技术及技术路线

STT-MRAM专利分析

技术分解及检索

STT-MRAM及发展现状

主要技术分支及检索

结构结构

材料材料

功能电路1功能电路1

功能电路2功能电路2

功能电路3功能电路3

STT-MRAMSTT-MRAM

MTJ单元MTJ单元

读写电路读写电路

• 主要技术分支

二级分支 三级分支

隧道结的结构

隧道结的材料

地址电路或解码器

单元访问电路

读取或感测电路

写入或编程电路

校验电路

计时电路

辅助电路

电源供应电路

主要技术分支及检索

• STT‐MRAM专利的特点：

– 分类号和关键词相对准确

• 检索策略：

– 以分类号和关键词为主

– 必要时以申请人等作为入口补充检索

– 在检索过程中不断调整关键词

• 数据库的选取– 德温特世界专利库（DWPI）

– 中国专利文摘数据库（CNABS）

主要内容

意见和建议

关键技术及技术路线

STT-MRAM专利分析

技术分解及检索

STT-MRAM及发展现状

全球和中国专利申请的年度分布

STT-MRAM专利分析

STT-MRAM专利分析

主要国家/地区分布

美国

45%

韩国

16%

中国

12%

日本

10%

欧洲

5%

中国台

湾

5%

其他

7%

STT-MRAM专利分析

主要地区的申请量分布

STT-MRAM专利分析

10%

10%

5% 5%

68% 美国

韩国

日本

中国

其他

原创国家地区分布

STT-MRAM专利分析

主要申请人

STT-MRAM专利分析

全球主要申请人的历年专利申请量

STT-MRAM专利分析

在华申请来源国家/地区

STT-MRAM专利分析

在华主要申请人的申请量

在华专利申请的来源

70%

29%

71%

享有优先权

无有优先权

10%

41%

30%

19%普通申请

PCT申请

49%

51%

主要分支的专利申请量

各技术分支的专利年代分布图

主要内容

意见和建议

关键技术及技术路线

STT-MRAM专利分析

技术分解及检索

STT-MRAM及发展现状

MTJ的结构与材料

20012001，东芝，东芝

20032003，，IBMIBM

20042004，日立，日立

20052005，，IBMIBM

JP3576111B2隔离层使用金属氧化物MgO，及Al2O3，SiO2

US8008097 B2MgO组成的隧道势垒层

EP1640472B1形成MTJ中隧道势垒的方法

US7351483 B2 由MgO或Mg-ZnO隧道势垒层

两侧紧邻的非晶磁性层

MTJ的结构与材料

20072007，东芝，东芝

JP5176269B2 B2磁性层Fe、Co和Ni选至少一种从Ru、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、 Pt和Au选至少一种从V、Cr和Mn选至少一种

US8823120 B2自由层为多层铁磁性结构非磁性子层耦合到CoFe子层

20092009，高通，高通

MTJ的结构与材料

问题：CoFeB作为存储层材料具有相对较大的磁致伸缩，使得铁磁

性材料在经受磁场时改变其形状，CoFeB的使用可诱导存储器阵列

中的相对较宽且不可控制的切换电流分布

高通，US8823120 B2

技术手段：自由层包括CoFeB，非磁性子层，辅助子层的多层铁磁性结构，

磁性子层Ru，铬Cr，或钽Ta

优点：可实现减小切换电流，增强STT-MRAM单元的稳定性

MTJ的结构与材料

降低开关电流成为磁隧道结设计的关键

降低开关电流成为磁隧道结设计的关键

开关的速度

存储单元尺寸

功耗

MTJ的结构与材料

大的各向异性参数

开关能量高

开关电流密度低

2011                              2012                 2014                      

自由层还包括非磁性子层

自由层包括磁插入层

垂直磁各向异性的磁性结

不对称的自由层

MTJ的结构与材料

磁性结还包括与绝缘层邻接的磁插入层，磁插入层是包括CoX、FeX和/或

CoFeX的至少一个磁层，其中X选自B、Ge、Hf、Zr、Ti、Ta和Tb的材料

三星，US8710602 B2

注：和IBM合作，由美国政府支持

非磁性层

降低隧道势垒层的

RA

提高MTJ的TMR

提高垂直各向异性

调整磁性结的属性；

减小低电阻区域RA；

改善TMR；

提高垂直各向异性；

提高热稳定性

MTJ的结构与材料

问题：1. 自由层和参考层使用CoFeB，自由层和参考层中的B有助于传统隧

道势垒层的结晶化，B的迁移允许B互相扩展到MgO隧道势垒层，会对传统

MTJ的性能如TMR有损害，使来自MTJ的信号再次被减小；

2. PMA受影响降低，如自由层中的Co，B

三星，US9166152 B2

无扩展相变

无扩散相变层中原子改变物理位置

在自由层和参考层引起应力

影响自由层和参考层的PMA

,

若非磁间隔层为MgO，

从被沉积的非晶层变为

BCC MgO，具有择优晶

体学取向

磁性结具有更高的TMR

更高的PMA

改善信号消除自由层和参考层对

B的需要

晶体结构具有灵活性

使参考层，自由层，非

磁间隔层具有所需的晶

格结构

MTJ的结构与材料

问题：PMA会由于Co夹杂在CoFe自由层中Fe，自由层中的B等因素会导致

PMA减小，常规自由层的热稳定性难以利用常规高PMA材料保持，MTJ的性

能会受损。

三星，US8786039 B2

• 具有设计PMA的自由层

MgO，NiO，NiOx

CoFeB

磁性层：CoFeB

氧化化物层：NiO，NiOx

• 具有设计PMA的自由层

NiO，NiOx

CoFeB

Ni层

提高磁性层的PMA，增加自由层的热稳定性，

改善磁性元件性能

MTJ的结构与材料

使用不对称的自由层且适用于自旋转移矩存储器的磁性结

自由层在非磁性间隔层与PMA 诱导层之间，不对称的自由层包括具有第一

硼含量的第一铁磁层和具有第二硼含量的第二铁磁层。第二硼含量小于第一

硼含量

三星，US2016035970 A1

提高隧穿磁阻，改善利用磁性结装置的性能

辅助电路

US7742329 B2读取和写入使用不同的字电压

US8027206 B2 箝位电路

US8004880 B2位线耦合电阻性

元件

US8130534 B2 分开读取与写

入路径

US8208291 B2 位线和源极线耦

合

US8107280 B2 控制电源电压、位线电压和转换电压的关系

US8134856 B2 加电控制器与预

充晶体管

辅助电路

2009年，高通，US8130534 B2 ，MTJ读取及写入数据的系统及方法

采用耦合至第一栅极及第二栅极的晶体管，选择性提供分开的数据读取及写入路径来存取MTJ元件，在逻辑高电平下对第一栅极106加偏压同时在逻辑低电平下对第二栅极108加偏压来界定数据读取路径。可使STT-MRAM装置的数据读取与写入路径去耦，从而允许高数据写入电流及低数据读取电流，为STT-MRAM存储器阵列提

供保护机制以防止存储器单元在读取操作期间的意外的单元翻转

2007年，高通，US8004880 B2 ，用于STT-MRAM的读取干扰电路

在读取操作期间包含电阻性元件与隔离元件。读取电流可通过电阻性元件而被控制到使无效写入/读取干扰的概率 小的范围。隔离元件经配置以在读取操作期间从位

线选择性地耦合电阻性元件

2010年，高通，US20100687310，控制施加到MTJ的电流方向的系统和方法读出放大器耦合到第一路径及第二路径，第一路径耦合到MTJ存储元件的位线，第二路径耦合到MTJ存储元件的源极线，实现在平行化方向或反平行化方向上选择地读取MTJ存储元件

MTJ的结构与材料

隔离元件452经配置以在读取操作期间从位线420中选择性耦合电阻性元件450，在写入操作期间隔离电阻性元件450。

高通，US8004880 B2

隔离元件隔离元件

电阻元件电阻元件

MTJ的结构与材料

隔离器件，控制读入的路径电阻元件，控制读取电流

隔离器件，控制读入的路径电阻元件，控制读取电流

MTJ的结构与材料

写入驱动器耦合的传输门

写入驱动器耦合的传输门

问题：读取电流超过MTJ元件的干扰电流，则读取电流可使MTJ元

件改变状态。

现有技术的方案：采用额外的保护或跟踪电路

引入的问题：增加STT-MRAM存储单元的大小

降低性能。

本发明：提出一种利用双栅极晶体管的实现数据读取和写入

两个栅极选择性提供分开的数据读取及写入路径

高通，US8130534 B2

MTJMTJ

双栅极晶体管双栅极晶体管

字线字线写入启用线写入启用线

通过施加偏压

读取期间：

停用写入电流

写入期间：

启用写入电流

通过施加偏压

读取期间：

停用写入电流

写入期间：

启用写入电流

1、避免读取引起的

干扰，保护数据

2、减少或消除额外

保护或追踪电路，

占用面积更小

1、避免读取引起的

干扰，保护数据

2、减少或消除额外

保护或追踪电路，

占用面积更小

辅助电路

2007年，高通，US7742329 B2 用于STT-MRAM中的读取和写入的字线晶体管强度控制

对读取和写入使用不同的字线电压电平，使得在给定的读取电流下，无效写入的概率随着脉冲宽度的增加而增加

20092009年，高通，年，高通，US8027206 B2 US8027206 B2

自旋转移力矩磁阻随机存取存储器内的位线电压控制通过耦合到位线的箝位电路，箝位电路经配置以在STT-MRAM的读取操

作期间将位线电压箝位到所要电压电平，从而防止位线电压超过所要电压电平

辅助电路

写入操作：字线驱动器432向字线430和晶体管410提供第一电压Vpp，比第二电压电平Vdd高的电压。

高通，US7742329 B2

Vpp

写入0写入0

写入1写入1

辅助电路

Vdd

MTJ的结构与材料

读取操作：将BL电压箝位至所要电压电平，所要电压电平<写入BL电压阈值

读取操作

高通，US8027206 B2 

防止位线电压超过箝位电压

防止单元读取操作诱发无效写入操作

激活箝位电路激活箝位电路

所要箝位电压