電子芯片的發(fā)展及應(yīng)用

電子芯片的發(fā)展及應(yīng)用

1．抗氧或輻射作用材料自1988年發(fā)現(xiàn)巨磁電阻（pmr）以來，磁電子功能材料及其相關(guān)的自旋電子芯片受到了西方工業(yè)化國家和公司的高度重視，并在國際上掀起了磁電子材料和設(shè)備的研究和工業(yè)化的浪潮。區(qū)別于微電子芯片,自旋電子芯片不僅利用電子的電荷屬性,也利用和操控其自旋特性,具有高集成化、低能耗、高速度、高靈敏度、防輻射等優(yōu)點,其可將現(xiàn)代信息技術(shù)中的信息獲取、傳遞、處理、存儲等環(huán)節(jié)有機地結(jié)合在一起。自旋電子芯片是突破微電子器件受到摩爾定律限制的一個重要研究方向,其研究和產(chǎn)業(yè)化有可能引發(fā)第四次科技革命。目前處于產(chǎn)業(yè)化階段的自旋電子材料即磁電子功能材料(包括GMR效應(yīng)和隧穿磁電阻(TMR)效應(yīng)材料)具有巨大的應(yīng)用和市場前景。比如,GMR和TMR傳感讀頭在計算機硬盤上應(yīng)用,已使硬盤的存儲密度提高了上萬倍,形成了超過350億美元的計算機硬盤市場。除硬盤讀頭外,各類基于GMR/TMR材料的磁電子器件包括傳感器芯片、磁電信號耦合芯片、磁性邏輯及磁隨機存儲(MRAM)芯片等具有超過1000億美元的巨大市場前景。鑒于巨磁電阻效應(yīng)的巨大學(xué)術(shù)價值和市場前景,2007年諾貝爾物理學(xué)獎授予了兩位發(fā)現(xiàn)者法國的A.Fert教授與德國的P.Grünberg教授。本文在簡要總結(jié)巨磁電阻材料和隧穿磁電阻材料的基礎(chǔ)上,概述了相關(guān)自旋電子芯片的研究現(xiàn)狀并對在我國實現(xiàn)自旋電子芯片的產(chǎn)業(yè)化提出了自己的觀點。2gmr旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)自巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)以來,磁電子功能材料研究進(jìn)展非常迅速,目前已從早期的巨磁電阻(GMR)納米多層膜材料發(fā)展為自旋閥材料,再發(fā)展至隧穿磁電阻(TMR)材料,已成功應(yīng)用于計算機硬盤讀頭、傳感芯片、信號耦合芯片及存儲芯片之中。巨磁電阻材料是由納米鐵磁(如Co)薄膜和納米非磁性薄膜(如Cu)交叉疊加而形成的多層膜(FM/Cu)nFM材料。巨磁電阻效應(yīng)的基本原理可由“鐵磁/非鐵磁/鐵磁”三明治結(jié)構(gòu)中的電子傳輸和散射機制予以解釋(如圖1所示)。在金屬鐵磁材料中,自由電子由與材料磁矩平行的自旋向上的多數(shù)電子和與材料磁矩反平行的自旋向下的少數(shù)電子組成。若組成三明治結(jié)構(gòu)的兩個鐵磁層的磁矩平行(圖1(a)),多數(shù)電子從一個鐵磁層傳輸至另一鐵磁層時,在材料界面和體內(nèi)不會受到自旋散射的影響,整個三明治結(jié)構(gòu)的材料將呈現(xiàn)低阻態(tài);然而若兩個鐵磁層的磁矩為反平行時(圖1(b)),多數(shù)電子從一個鐵磁層傳輸至另一鐵磁層時,在材料界面和體內(nèi)將受到較強的自旋散射作用,整個材料將呈現(xiàn)高阻態(tài)。由納米鐵磁(如Co)薄膜和納米非磁性薄膜(如Cu)交叉疊加而形成的巨磁電阻多層膜(FM/Cu)nFM材料,通常飽和場比較大,所制成的器件靈敏度低,因而器件的應(yīng)用受到了局限。在1991年,Dieny發(fā)現(xiàn)通過鐵磁與非鐵磁材料之間的交換耦合作用,可將三明治結(jié)構(gòu)中的一層鐵磁材料用一層反鐵磁材料釘扎住而使其磁化方向不隨外加磁場變化,而另一層未被釘扎的鐵磁層則可自由隨外磁場而變化。這種新發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻材料對外界磁場的響應(yīng)更加靈敏,被稱為GMR自旋閥材料。圖2所示為簡單自旋閥材料的基本結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖。如圖2(a)所示,GMR自旋閥材料基本結(jié)構(gòu)由自由鐵磁層、非磁性導(dǎo)電層Cu、被釘扎層和釘扎層4層所組成。自由鐵磁層通常是NiFeCo、CoFe或其組合;被釘扎層通常是NiFeCo、CoFe或復(fù)合層結(jié)構(gòu)CoFe/Ru/CoFe;釘扎層通常是IrMn、NiMn、PtMn或CrPtMn。被釘扎層的磁化方向通過與反鐵磁釘扎層的交換耦合作用固定在縱軸方向(y軸方向)。而自由層的磁化方向沒被固定,可隨信號磁場的變化而轉(zhuǎn)動,從而導(dǎo)致GMR的變化。GMR的變化量(ΔR)正比于自由層磁化方向與x軸夾角(θ)的正弦值。自旋閥材料中的反鐵磁釘扎層與被釘扎層之間交換耦合場Hex,表征了釘扎層對被釘扎層的釘扎強度,可采用磁滯回線和磁阻曲線兩種方法進(jìn)行測量和表征,兩種曲線存在對應(yīng)關(guān)系。圖2(b)和(c)分別為自旋閥材料的磁滯回線和磁阻曲線示意圖,圖中帶箭頭虛線和實線分別表示自由層磁化方向和被釘扎層磁化方向,被釘扎層的磁化方向被固定在y軸的負(fù)方向上,其磁化翻轉(zhuǎn)過程如下所述。首先施加一個反向外場,使自由層的磁化方向在負(fù)方向上飽和(圖2(b)中A點處),與被釘扎層的磁化方向平行,這時自旋閥材料處于低阻態(tài)(圖2(c)中A點處);隨后,反向磁場逐漸減小,通過零點后變?yōu)檎虼艌?當(dāng)正向磁場強度超過了自由層的矯頑力時,自由層的磁化方向發(fā)生翻轉(zhuǎn),與被釘扎層的磁化方向反平行(圖2(b)中B點處),自旋閥材料處于高阻態(tài)(圖2(c)中B點處);當(dāng)正向磁場繼續(xù)增大,超過了自旋閥材料中鐵磁/反鐵磁交換耦合強度Hex及被釘扎層的矯頑力之和時,被釘扎層的磁化方向也發(fā)生翻轉(zhuǎn),與自由層的磁化方向平行,此時材料又處于低阻態(tài)((圖2(c)中C點處)。反之亦然,從圖2(b)中的C點處開始隨著正向磁場減小到Hex磁場以下,由于交換耦合作用,被釘扎層的磁化方向首先發(fā)生翻轉(zhuǎn),材料由低阻態(tài)變?yōu)楦咦钁B(tài)。當(dāng)正向磁場繼續(xù)減小通過零點后變?yōu)樨?fù)向磁場,當(dāng)負(fù)向磁場強度大于自由層矯頑力時,自由層的磁化方向變?yōu)樨?fù)向,材料由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài)。自旋閥材料按結(jié)構(gòu)可分為3種類型:頂釘扎自旋閥材料、底釘扎自旋閥材料以及對稱自旋閥材料,如圖3所示。其中典型的頂釘扎自旋閥材料從下而上分別為自由層、非磁性導(dǎo)電層(通常為Cu)、被釘扎層和釘扎層。底釘扎自旋閥材料自下而上分別為釘扎層、被釘扎層、非磁性導(dǎo)電層和自由層。而對稱自旋閥材料則由底釘扎自旋閥結(jié)構(gòu)和頂釘扎自旋閥結(jié)構(gòu)共用中間的自由層形成。采用哪一類自旋閥材料取決于所研制器件的類型與用途。當(dāng)器件被用作通用磁敏傳感器時,要求自旋閥自由層的磁滯要小,通常采用頂釘扎自旋閥材料;當(dāng)器件用作計算機讀頭時,由于傳感讀頭兩端需要被硬磁偏置,通常采用底釘扎自旋閥材料。對稱自旋閥材料由于自由層的磁滯和橘皮耦合效應(yīng)較大,通常不作傳感器件應(yīng)用,可應(yīng)用于邏輯器件。在器件應(yīng)用中要求GMR自旋閥材料具有較大的鐵磁/反鐵磁交換耦合強度和較好的熱穩(wěn)定性。圖4所示為本課題組所研制的GMR自旋閥材料的磁阻曲線,材料的磁阻變化率為9.9%,釘扎層和被釘扎層之間的交換耦合強度超過了71.64kA/m,滿足傳感器器件研制的要求。GMR自旋閥材料性能好,能滿足傳感器件的性能需求,但在自旋存儲芯片(MRAM)應(yīng)用中,由于存儲單元小,其電阻過低而在應(yīng)用中受到限制。在目前國內(nèi)外大多數(shù)研究中,MRAM中的器件存儲單元,多采用了隧穿磁電阻(TMR)材料。TMR材料的結(jié)構(gòu)與GMR自旋閥材料的結(jié)構(gòu)類似,不同之處在于TMR材料中,一層很薄的絕緣阻擋層(如Al2O3或MgO)取代了自旋閥材料中的非磁性導(dǎo)電Cu層。TMR自旋閥器件的傳導(dǎo)模式也不同于自旋閥器件,其電流通過隧穿效應(yīng)垂直穿越絕緣薄層進(jìn)行傳導(dǎo),而不是在平面內(nèi)傳導(dǎo)。使用非晶Al2O3薄膜作為絕緣阻擋層的TMR器件的隧穿磁阻變化可達(dá)70%,使用結(jié)晶MgO薄膜作為絕緣阻擋層的TMR器件可使隧穿磁阻變化進(jìn)一步提高。D.D.Djayaprawira等在2005年制備了CoFeB/MgO/CoFeB隧穿磁電阻材料,得到室溫下230%的磁電阻。J.Hayakawa等在2006年制備了室溫磁電阻達(dá)到472%的CoFeB/MgO/CoFeB隧穿磁電阻材料。S.Ikeda等在2008年在經(jīng)過高溫退火的CoFeB/MgO/CoFeB隧穿磁電阻材料中得到了室溫下604%的磁電阻比值。這些研究為研制高靈敏度傳感器件和自旋存儲芯片打下了材料基礎(chǔ)。3磁問題的基礎(chǔ)研究西方發(fā)達(dá)國家在過去20余年里,已逐步實現(xiàn)了自旋傳感芯片、自旋磁電信號耦合芯片、磁邏輯和存儲芯片的產(chǎn)業(yè)突破,形成了基礎(chǔ)研究與實際應(yīng)用的良性循環(huán)和相互促進(jìn)。我國相關(guān)科研機構(gòu)也在磁電子材料和自旋芯片上做了大量的基礎(chǔ)研究工作,但在產(chǎn)業(yè)化方面卻停滯不前。3.1gmr傳感芯片基本制備工藝及測試結(jié)果美國是最早啟動自旋電子芯片特別是自旋傳感芯片研究的國家。在巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)的第二年(1989年),美國Honeywell公司就拆分出美國NVE公司進(jìn)行自旋電子芯片的研究與產(chǎn)業(yè)化。在政府和軍方的資助下,NVE率先研制出GMR傳感芯片,于1994年推出世界上第一款GMR多層膜傳感芯片。該公司在隨后又推出了較為完整的GMR自旋閥傳感芯片、TMR傳感芯片等系列產(chǎn)品,成為在美國納斯達(dá)克上市的世界知名的自旋電子芯片高科技公司。除NVE公司外,世界上許多跨國企業(yè)包括霍尼韋爾、英飛凌、IBM、博世、日立等都在進(jìn)行集成自旋電子傳感芯片的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化工作。自旋傳感芯片,比如GMR自旋閥傳感芯片,通常采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)。但是如果組成惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的4個電阻對外場的響應(yīng)特性相同,電橋?qū)]有信號輸出。要實現(xiàn)電橋的信號輸出,在設(shè)計上可采用兩種方法:第一種方法是將組成惠斯通電橋的4個電阻中的兩個用軟磁材料將其屏蔽,如圖5(a)所示。在這種結(jié)構(gòu)中,在外場作用下,有屏蔽層的兩個電阻阻值不受影響,未被屏蔽的兩個電阻阻值發(fā)生變化,使電橋輸出發(fā)生改變。整個電橋的輸出反映外場的大小;第二種方法是采用推拉結(jié)構(gòu)的惠斯通電橋,如圖5(b)所示,當(dāng)一對電阻(如R1、R3)的阻值隨外場的增大而增大,另外一對電阻(R2、R4)會隨著外場的增大而減小,從而形成推拉輸出。GMR自旋閥傳感芯片的基本制備工藝過程如下:首先將沉積在硅片上的GMR自旋閥薄膜材料經(jīng)過光刻、離子束刻蝕形成蛇形電阻,然后通過沉積絕緣層及開孔,再沉積金屬及光刻、刻蝕等將蛇形電阻互聯(lián)形成惠斯通電橋。對于帶磁屏蔽層的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)(設(shè)計方法1),還需要在電橋的一對電阻上方通過電鍍沉積一層厚的軟磁屏蔽層,最后再在上面沉積一層絕緣層并刻蝕暴露接觸孔。器件工藝完成后,就可進(jìn)行測試和分析。圖6是對本文研制的GMR自旋閥傳感芯片的測試結(jié)果。圖6(a)為磁屏蔽結(jié)構(gòu)的GMR傳感芯片的磁場響應(yīng)曲線,其工作范圍為-398~398A/m、磁滯小,靈敏度約為4mV/A·m-1-V。圖6(b)為推拉結(jié)構(gòu)的GMR傳感芯片的磁場響應(yīng)曲線,其工作范圍為-2786~2786A/m、磁滯小,靈敏度約為0.6mV/A·m-1-V。該傳感芯片的性能還可通過提高屏蔽層的軟磁性能和集成磁場反饋線圈的方法進(jìn)一步優(yōu)化,減小磁滯和提高線性度。運用補償電路的自旋傳感芯片需將自旋敏感單元、放大器和反饋線圈集成起來。傳感芯片輸出電壓被放大后產(chǎn)生的輸出電流流經(jīng)反饋線圈產(chǎn)生磁場。所產(chǎn)生磁場與被測磁場強度相同,但方向相反。運用該磁場反饋方法可以改善傳感器的線性度,并增寬動態(tài)測量范圍。然而,集成反饋線圈的方法會使器件能耗大大增加,并使器件工藝更加復(fù)雜。以自旋傳感芯片為基礎(chǔ),與IC芯片相結(jié)合,可進(jìn)一步制備集成磁開關(guān)等各類磁敏數(shù)字傳感芯片。圖7為本課題組研制的自旋數(shù)字磁敏傳感芯片的電路示意圖和測試結(jié)果,該器件頻率響應(yīng)特性好,頻響范圍從DC到大于100kHz,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、消費電子與汽車電子等領(lǐng)域。3.2tmr傳感芯片的輸出特性與GMR自旋閥傳感芯片一樣,TMR自旋傳感芯片通常采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu),如圖8所示。圖8中將4個TMR磁敏電阻(腳電阻)連接成惠斯通電橋。其中兩邊的一對電阻上方有NiFe軟磁屏蔽層(圖中矩形所示),另外中間一對電阻沒有屏蔽。每個腳電阻由一系列TMR磁敏電阻單元串聯(lián)而成。有屏蔽的這兩個腳電阻不會受外場影響。沒有屏蔽的兩個腳電阻受外場影響電阻發(fā)生變化。整個電橋的輸出即反映了外場大小。軟磁屏蔽層不僅可以屏蔽外場對兩側(cè)電阻的影響,同時還可將外場放大,提高傳感器的靈敏度。圖9為NVE公司制備的TMR傳感芯片的響應(yīng)曲線。該響應(yīng)曲線較為理想,這里的“理想”是指輸出信號在較寬的磁場范圍內(nèi)是線性的(磁滯較小或者沒有磁滯)。傳感器的靈敏度很好,約為15mV/A·m-1-V。根據(jù)此傳感器制成的三維磁性傳感器可測納特量級的微磁場,如果進(jìn)一步優(yōu)化傳感器設(shè)計,應(yīng)該可以測量皮納特量級超微磁場。TMR材料由于在外場下其電阻阻值變化非常靈敏,主要應(yīng)用于探測超微磁場。提高TMR磁敏電阻單元對磁信號的響應(yīng)率和減小其噪聲是設(shè)計和制備高分辨力特別是皮特級磁敏傳感器的關(guān)鍵。TMR磁敏電阻單元中存在兩類噪聲:白噪聲和類1/f噪聲。白噪聲包括熱噪聲和電子擾動噪聲。類1/f噪聲包括1/f噪聲和磁噪聲。磁噪聲可通過使TMR磁敏電阻單元的自由層單疇化而消除?；贕MR/TMR材料的自旋傳感芯片應(yīng)用領(lǐng)域廣闊:電流探測、位置探測、轉(zhuǎn)速測量、流量檢測、無損探測、無人地面?zhèn)鞲衅?、探雷、接近開關(guān)、磁卡讀頭、磁羅盤、3-X傳感器、GPS應(yīng)用、驗鈔機、心臟起搏器、磁引信、導(dǎo)彈導(dǎo)航、海洋礦物探測、陸上車輛和水下不明物如潛艇等的監(jiān)控和探測等。3.3提取系統(tǒng)及實驗結(jié)果美國NVE在上世紀(jì)90年代中期成功研制GMR自旋閥傳感芯片的基礎(chǔ)上,提出了進(jìn)一步研制基于GMR自旋閥敏感單元的磁電信號耦合芯片。自1998年起,該公司獲得了美國政府和軍方的連續(xù)資助,成功研制和產(chǎn)業(yè)化了自旋磁電信號耦合芯片。除NVE外,ADI、霍尼韋爾、安捷倫等大公司均在進(jìn)行自旋磁電信號耦合芯片的研究和產(chǎn)業(yè)化工作。信號耦合器件的功能是消除地面可能產(chǎn)生的嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕芈冯娏骷捌浒樯脑肼暋Ｄ壳榜詈掀骷袌錾系闹髁鳟a(chǎn)品是光電耦合器件,其具有幾個本質(zhì)缺點:體積大、速度慢(<10MHz)、不易集成、不抗輻射和容易老化,已越來越不適應(yīng)現(xiàn)代高速電子系統(tǒng)的要求。可以預(yù)見,在未來光電耦合器件難以應(yīng)對高速電子系統(tǒng)要求的情況下,自旋磁電信號耦合器件將會發(fā)揮越來越重要的作用。圖10為自旋磁電信號耦合器件與光電耦合器件原理比較示意圖:光電耦合器件用光來傳遞信號,而自旋磁電信號耦合器件用磁場傳遞信號。自旋磁電信號耦合器件的具體工作原理是先將電信號轉(zhuǎn)換成磁場信號,然后通過磁傳感器來接收傳遞,再經(jīng)過電路重構(gòu)放大輸出信號。圖11(a)為未與IC集成的線性模擬信號耦合芯片的測試單元版圖。線圈下面是形成惠斯通電橋的4個自旋閥敏感電阻單元,敏感單元的敏感方向垂直于線圈的跑道。在線圈上面是一層軟磁屏蔽層,其功能是一方面屏蔽外磁場影響;另外一方面是放大線圈中的電流信號產(chǎn)生的磁場。在器件工藝完成后,金屬線圈和自旋閥敏感電阻單元被12μm的BCB聚合物材料絕緣隔離。該BCB厚膜具有超過2kV擊穿電壓的耐受能力。工藝完成后的器件顯示非常好的性能,磁滯很小,電橋的offset小于2mV。圖11(b)為制備的測試器件的輸出電壓相對于金屬線圈中的電流大小變化的響應(yīng)曲線,器件的工作區(qū)間是從-20~+20mA。在-10~+10mA范圍內(nèi),非線性度低于0.05%。器件對信號電流的靈敏度為1.27mV/V-mA。與IC相結(jié)合的自旋磁電信號耦合芯片的制造工藝比較復(fù)雜。圖12所示為將IC與自旋敏感單元集成在一起的自旋磁電信號耦合器件的工藝剖面圖?？赏ㄟ^5步掩膜工藝流程將GMR功能結(jié)構(gòu)直接集成在半導(dǎo)體電路芯片上使之成為高度集成的自旋磁電信號耦合芯片。圖13為一個五通道數(shù)字自旋磁電信號耦合芯片的版圖,尺寸為650μm×3920μm。在器件制作中,一層11μm的絕緣隔離層將自旋閥電阻和信號輸入線圈之間絕緣隔離開來。這層絕緣隔離層的存在,使得器件的擊穿電壓>2000V。線圈的驅(qū)動電流僅需4.5mA,就可使器件正常工作。自旋磁電信號耦合器件的響應(yīng)速度很快,圖14為測量得到的信號響應(yīng)結(jié)果。每個通道的傳輸速度都大于50MHz,傳輸延遲在10.5和11.5ns之間,上升時間和下降時間均小于4.5ns。自旋磁電信號耦合芯片可廣泛應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)接口、數(shù)據(jù)傳輸、電信、傳感器、儀器、移動電子和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。在國內(nèi),東方微磁科技有限公司與南京大學(xué)、杭州電子科技大學(xué)合作,開展基于磁電子材料的新型具有非易失性鎖存功能的多通道數(shù)據(jù)隔離耦合接口芯片研究,該芯片可將數(shù)據(jù)接收、隔離耦合傳輸、數(shù)據(jù)存儲有機結(jié)合起來,可進(jìn)一步拓寬自旋磁電信號耦合芯片的功能和應(yīng)用。3.4mram的產(chǎn)業(yè)化設(shè)計國際大公司在進(jìn)行自旋存儲器件的研究和產(chǎn)業(yè)化方面,注重基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的積累,逐步推進(jìn)和完成從自旋傳感芯片和自旋磁電信號耦合芯片到自旋存儲器件的研制與產(chǎn)業(yè)化。在1989年,從美國Honeywell分拆出來的NVE公司的早期目標(biāo)就是實現(xiàn)自旋存儲芯片(MRAM)的產(chǎn)業(yè)化,但在其研究和產(chǎn)業(yè)化的過程中,發(fā)現(xiàn)僅僅有基礎(chǔ)研究和設(shè)想是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,還需要很強的技術(shù)積累和投入。在1995年,NVE將MRAM專利授權(quán)給美國摩托羅拉公司,后者投資數(shù)億美元開展MRAM研發(fā)工作,并于2004年將半導(dǎo)體部獨立出來成立了Freescale公司。在2008年,Freescale公司再將MRAM業(yè)務(wù)拆分出來組建了新公司Everspin,專注于開展自旋存儲器件的研制與產(chǎn)業(yè)化。自旋存儲器件具有靜態(tài)存儲器(SRAM)的高速度、動態(tài)存儲器(DRAM)的高密度和閃存(Flash)的非易失性功能,集諸多優(yōu)點于一身,有可能成為未來的通用存儲器件,具有巨大的產(chǎn)業(yè)化前景,已吸引了國際上包括IBM、英飛凌、TDK、東芝、索尼、瑞薩、三星、海力士等眾多高科技公司開展相關(guān)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化工作。MRAM靠磁阻存儲單元來存儲數(shù)據(jù)“1”或“0”。所用最多的是TMR存儲單元,其通過改變自由層的磁化方向來實現(xiàn)信息的寫入和存儲。目前主要有兩種實現(xiàn)MRAM的設(shè)計方案:一種是靠外加磁場實現(xiàn)信息寫入和存儲的方案;另外一種是基于自旋動量轉(zhuǎn)移效應(yīng)的STT-MRAM方案,靠流過TMR存儲單元的電流實現(xiàn)信息的寫入和存儲。圖15所示為靠外加磁場實現(xiàn)寫入和存儲的MRAM存儲單元陣列,每個存儲單元包含一個TMR存儲單元和一個晶體管。TMR存儲單元的態(tài)通過外加磁場來改變,該磁場由兩條互相垂直的“寫”線上的導(dǎo)通電流產(chǎn)生,兩條線的交叉點即TMR存儲單元所在位置。兩條線所產(chǎn)生的兩個外磁場共同作用決定了TMR存儲單元自由層的取向及該單元的態(tài)。該設(shè)計方案有兩個缺點:第一個缺點是半選位線和數(shù)據(jù)線干擾整行或整列的存儲單元,該缺點可以通過使用一種合成反鐵磁自由層結(jié)構(gòu)和“toggle”信息寫入方案而得到改善;第二個缺點是能耗較高,隨著TMR磁性單元尺寸減小,產(chǎn)生所需磁場的電流將增大。上述兩個缺點限制了采用外加磁場設(shè)計的MRAM的存儲密度,使其很難隨著半導(dǎo)體制程工藝的提高而增加。在2002年,Cypress利用NVE的MRAM專利技術(shù)成功地研制了256kb的存儲芯片。但由于上述原因?qū)RAM存儲密度的限制,Cypress于2005年宣布退出MRAM的研制和生產(chǎn)。目前Everspin是通過外加磁場設(shè)計方案實現(xiàn)MRAM產(chǎn)業(yè)化的唯一一家高科技公司,已經(jīng)形成了從256kb到16Mb的于外加磁場設(shè)計方案的MRAM系列商業(yè)化產(chǎn)品。圖16為Freescale在2005年研制的4Mb的MRAM芯片的存儲單元結(jié)構(gòu)及芯片照片。由于基于外加磁場設(shè)計方案的MRAM的存儲密度受到限制,研究人員轉(zhuǎn)向采用另外一種基于自旋動量轉(zhuǎn)移效應(yīng)的STT-MRAM設(shè)計方案,從而為進(jìn)一步提高M(jìn)RAM的存儲密度提供了可能性。該方案利用通過TMR存儲單元的電流的自旋動量轉(zhuǎn)移效應(yīng)來“保持/轉(zhuǎn)換”所選擇的TMR存儲單元的自由層的磁矩取向,該方案所設(shè)計的MRAM芯片不需要外磁場來進(jìn)行信息的寫入和編程,其存儲密度也可以隨著半導(dǎo)體制程工藝的提高而增加。圖17給出了一個STT-MRAM存儲單元陣列的電路圖。在2005年,Sony首次用STT-MRAM測試芯片驗證了該設(shè)計方案的可行性。在2007年,Hitachi制備和演示了2Mb的STT-MRAM芯片。在2012年11月,Everspin宣布成功研制了64Mb的STT-MRAM,并將選擇用戶推廣使用。圖18為Everspin生產(chǎn)的STT-MRAM芯片圖。盡管如此,在STT-MRAM大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化時,必須解決芯片制作中的均勻性與重復(fù)性以及器件應(yīng)用中的穩(wěn)定性等問題。在芯片設(shè)計中,一個需考慮的問題是需要在存儲單元的熱穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)電流閾值兩者之間進(jìn)行權(quán)衡:將STT-MRAM存儲單元的編程寫電流密度降至105A/m,并保持?jǐn)?shù)據(jù)存儲的熱穩(wěn)定性。研究人員發(fā)現(xiàn)采用具有垂直磁各向異性的隧穿磁電阻結(jié)構(gòu)制作存儲單元,這種結(jié)構(gòu)由于垂直磁各向異性能較大,在器件穩(wěn)定性方面具有一定優(yōu)勢。另外利用自旋動量轉(zhuǎn)移效應(yīng)還可實現(xiàn)對磁疇壁的驅(qū)動,并可以此來實現(xiàn)賽道存儲器的研制,研究人員報道了采用垂直磁各向異性的Co/Ni納米線制作的6bit寄存器,與CMOS集成的鎳鐵合金納米線賽道寄存器。3.5微波頻率調(diào)節(jié)以GMR/TMR材料為基礎(chǔ),利用自旋動量轉(zhuǎn)移效應(yīng)可進(jìn)一步制備高頻自旋轉(zhuǎn)移矩振蕩器(STOs)。該振蕩器是一種可調(diào)的微波頻率源和探測器。當(dāng)STOs器件處于直流驅(qū)動的磁進(jìn)動模式時,由于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng),電極上會發(fā)出大量的微波頻率信號。電阻也按微波