巨磁阻随机存取记忆体(MRAM)工作原理及未来产域应用

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巨磁阻随机存取记忆体(MRAM)工作原理及未来产域应用

【作者： James Lai】2000年09月01日星期五

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由台湾厂商投资的美国联邦先进半导体科技公司(Union Semiconductor Technology)于7月在台发表巨磁阻随机存取记忆体(MRAM)，掀起国内外各界对未来记忆体的发展产生极大的兴趣。巨磁阻(Giant Magnetoresistance effect,GMR)效应于1980年代由两位欧洲科学家─德国Peter Gruenberg于KFA研究中心，及法国Albert Fert于University of Paris-Sud，分别发表此发现及理论。他们在薄膜复合金属材料上(主要镍、铁、钴等磁性材料)发现巨磁阻变化，导致各国科学家开始合作研究巨磁效应如何应用于磁阻记忆体(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)的开发与未来实际应用。

MRAM的原理介绍

MRAM的GMR材料主要结构(图一)(图二)是由一层非磁金属层(spacer layer of a non-magnetic metal)被夹于两层(上、下层)磁金属层中间(two magnetic metals' )。电阻决定于两层磁金属的磁化方向─平行同方向排列，或平行非同方向排列。如果上磁层与下磁层为同方向排列，电阻值最低时可定义为〝0〞bit。如上下磁层为反方向排列，电阻值最高时可定义为〝1〞bit。由此上下磁层的排列方向即可写入〝0〞bit或〝1〞bit。

《图二》

电阻的变化是由于单一磁层(A Single-Domain Magnetic Material)依据磁化的方向而散射上旋电子或下旋电子。当上下磁层磁化向量反方向排列时(图一,〝1〞)，电阻值最大是因上、下磁层介面都可散射电子(一介面散射上旋电子，另一介面则散射下旋电子。当上下磁层磁化向量同方向排列时(图一,〝0〞)，磁层介面只可以散射上旋电子(或下旋电子)。

MRAM的GMR效应是由一非磁金属层夹于二磁金属层中，每一〝bit〞可存二种资料状态，〝0〞或〝1〞。当下磁性层(储存层Storage Layer)磁化方向向左时，其在MRAM的资料状态为〝0〞，借着改变上磁性层(感应层Sense Layer)的方向由左到右，量测到电阻值的变化是由低到高，则显示资料状态为〝0〞。

当下磁层磁性方向向右时，其在MRAM的资料状态为〝1〞，借着改变上磁化层的方向由左到右，量测到电阻值的变化由高到低，则显示资料状态为〝1〞。

要读和写MRAM结构，下磁性层(储存层Storage Magnetic Layer)一定要比上磁性层(感应层Sense Magnetic Layer)更加抗拒外在磁场的改变。因此无论向右或向左小的外加磁场仅将改变上磁性层的磁化方向，而大的磁场则可改变储存层和感应层二者的磁化方向。此项特性又称为〝非破坏性读取〞(Non-destructive read-out)。

图示中(图三)、(图四)、(图五)、(图七)、(图八)读取资料状态〝1〞的情形，一个小磁场由左至右扫过GMR结构，改变了上磁性感应层的磁化方向由左到右。当资料状态为〝1〞，下磁性储存层磁化方向是向右。

《图四》

《图七》

《图八》

当磁场方向向左时，上磁性感应层和下磁性储存层为平行反方向排列，则为高电阻值。当磁场扫向右时，上磁性感应层和下磁性储存层的方向为平行同方向排列，则为低电阻值。由高电阻状态至低电阻状态的改变，表示〝1〞的资料储存状态。

要改变资料状态由〝1〞至〝0〞，外加磁场向左方增强直到下磁性储存层改变磁化方向为右到左。当读取资料状态〝0〞时，当磁场由左向右时，上磁性感应层改变磁化方向从左到右，而导致上磁性感应层和下磁性储存层由低电阻平行同方向的形式改变为高电阻平行反方向的形式。而这低到高电阻的改变表示〝0〞的资料储存状态。

MRAM应用领域

由于MRAM兼具非挥发性(似Flash Memory)，快速读写(似SRAM)，高密度储存(如同DRAM)等特性。未来MRAM将可逐步应用于包括有SRAM、DRAM、Mask ROM、EEPROM、Flash Memory及FeRAM(Ferro electric RAM)的相关领域产品。例如个人电脑的储存资料或记忆体包括SRAM、DRAM、ROM、Flash Memory及硬碟机等(图六)，当MRAM具足够容量时，其非挥发性的特性，即使断电时进行中的资料仍随时可获保存，不受外界电力干扰。当应用于大量资料储存时，读写资料电脑待机时间比现在之硬碟HDD(ms. ACCESS TIME)快1000倍(ns. ACCESS TIME MRAM)。

《图六》

又MRAM将可改善系统资料储存之可靠度。现今的快闪记忆IC写入速度较慢，且大约经10万次写入资料后有可能流失资料，FeRAM现今仍属较低容量的记忆体开发阶段，未来仍受材料特性的限制，大容量储存资料有其障碍且其写入次数较MRAM少，MRAM可提供几乎无限次数的写入，具可靠度及高容量储存的潜在功能与特点。

MRAM将分三阶段应用于不同产品

(一)较低容量(1Mbits以下)，可将微处理器与MRAM及其它逻辑电路结合，应用于微处理器控制的资料储存。如智慧IC卡「结构如(图九)及(图十)」、USB Controller、1394 Controller、语音压缩储存、一般工业可程式应用、语音辨识储存及各种玩具、电玩领域。

《图十》

(二)中容量储存(16Mbits以下)，结合较大逻辑电路设计应用储存资料，如Chip Set内嵌MRAM、VGA Chip内嵌MRAM、数位相机影音储存、MP3音乐储存、行动电话、卫星定位系统、各种IC卡资料储存及IA产品资料暂存等。

(三)高容量(16m Bits以上),与系统结合,如MRAM平均读写速度(R/W ACCESS TIME)与DRAM相当时,将渐被应用于部分PDA、NOTEBOOK、Palm及PC系统的资料储存。

另外，以成本上的考量而言，MRAM仍然极具有竞争力，因为其设计的记忆层可堆叠于逻辑电路之上，制程掌握度比较容易，用现有的CMOS制程即可。也因为MRAM深具发展潜力，诸如美国、日本、及欧洲等著名的资讯与半导体大厂亦纷纷加入MRAM产品的研发，期能抢占新世代记忆体MRAM的市场先机。