巨磁阻隨機存取記憶體(MRAM)工作原理及未來產域應用

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巨磁阻隨機存取記憶體(MRAM)工作原理及未來產域應用

【作者： James Lai】 2000年09月01日星期五

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由台灣廠商投資的美國聯邦先進半導體科技公司(Union Semiconductor Technology)於7月在台發表巨磁阻隨機存取記憶體(MRAM)，掀起國內外各界對未來記憶體的發展產生極大的興趣。巨磁阻(Giant Magnetoresistance effect,GMR)效應於1980年代由兩位歐洲科學家─德國Peter Gruenberg於KFA研究中心，及法國Albert Fert於University of Paris-Sud，分別發表此發現及理論。他們在薄膜複合金屬材料上(主要鎳、鐵、鈷等磁性材料)發現巨磁阻變化，導致各國科學家開始合作研究巨磁效應如何應用於磁阻記憶體(Magnetoresistive Random Access Memory,MRAM)的開發與未來實際應用。

MRAM的原理介紹

MRAM的GMR材料主要結構(圖一)(圖二)是由一層非磁金屬層(spacer layer of a non-magnetic metal)被夾於兩層(上、下層)磁金屬層中間(two magnetic metals')。電阻決定於兩層磁金屬的磁化方向─平行同方向排列，或平行非同方向排列。如果上磁層與下磁層為同方向排列，電阻值最低時可定義為〝0〞bit。如上下磁層為反方向排列，電阻值最高時可定義為〝1〞bit。由此上下磁層的排列方向即可寫入〝0〞bit或〝1〞bit。

《圖二　》

電阻的變化是由於單一磁層(A Single-Domain Magnetic Material)依據磁化的方向而散射上旋電子或下旋電子。當上下磁層磁化向量反方向排列時(圖一,〝1〞)，電阻值最大是因上、下磁層介面都可散射電子(一介面散射上旋電子，另一介面則散射下旋電子。當上下磁層磁化向量同方向排列時(圖一,〝0〞)，磁層介面只可以散射上旋電子(或下旋電子)。

MRAM的GMR效應是由一非磁金屬層夾於二磁金屬層中，每一〝bit〞可存二種資料狀態，〝0〞或〝1〞。當下磁性層(儲存層Storage Layer)磁化方向向左時，其在MRAM的資料狀態為〝0〞，藉著改變上磁性層(感應層Sense Layer)的方向由左到右，量測到電阻值的變化是由低到高，則顯示資料狀態為〝0〞。

當下磁層磁性方向向右時，其在MRAM的資料狀態為〝1〞，藉著改變上磁化層的方向由左到右，量測到電阻值的變化由高到低，則顯示資料狀態為〝1〞。

要讀和寫MRAM結構，下磁性層(儲存層Storage Magnetic Layer)一定要比上磁性層(感應層Sense Magnetic Layer)更加抗拒外在磁場的改變。因此無論向右或向左小的外加磁場僅將改變上磁性層的磁化方向，而大的磁場則可改變儲存層和感應層二者的磁化方向。此項特性又稱為〝非破壞性讀取〞(Non-destructive read-out)。

圖示中(圖三)、(圖四)、(圖五)、(圖七)、(圖八)讀取資料狀態〝1〞的情形，一個小磁場由左至右掃過GMR結構，改變了上磁性感應層的磁化方向由左到右。當資料狀態為〝1〞，下磁性儲存層磁化方向是向右。

《圖四　》

《圖七　》

《圖八　》

當磁場方向向左時，上磁性感應層和下磁性儲存層為平行反方向排列，則為高電阻值。當磁場掃向右時，上磁性感應層和下磁性儲存層的方向為平行同方向排列，則為低電阻值。由高電阻狀態至低電阻狀態的改變，表示〝1〞的資料儲存狀態。

要改變資料狀態由〝1〞至〝0〞，外加磁場向左方增強直到下磁性儲存層改變磁化方向為右到左。當讀取資料狀態〝0〞時，當磁場由左向右時，上磁性感應層改變磁化方向從左到右，而導致上磁性感應層和下磁性儲存層由低電阻平行同方向的形式改變為高電阻平行反方向的形式。而這低到高電阻的改變表示〝0〞的資料儲存狀態。

MRAM應用領域

由於MRAM兼具非揮發性(似Flash Memory)，快速讀寫(似SRAM)，高密度儲存(如同DRAM)等特性。未來MRAM將可逐步應用於包括有SRAM、DRAM、Mask ROM、EEPROM、Flash Memory及FeRAM(Ferro electric RAM)的相關領域產品。例如個人電腦的儲存資料或記憶體包括SRAM、DRAM、ROM、Flash Memory及硬碟機等(圖六)，當MRAM具足夠容量時，其非揮發性的特性，即使斷電時進行中的資料仍隨時可獲保存，不受外界電力干擾。當應用於大量資料儲存時，讀寫資料電腦待機時間比現在之硬碟HDD(ms. ACCESS TIME)快1000倍(ns. ACCESS TIME MRAM)。

《圖六　》

又MRAM將可改善系統資料儲存之可靠度。現今的快閃記憶IC寫入速度較慢，且大約經10萬次寫入資料後有可能流失資料，FeRAM現今仍屬較低容量的記憶體開發階段，未來仍受材料特性的限制，大容量儲存資料有其障礙且其寫入次數較MRAM少，MRAM可提供幾乎無限次數的寫入，具可靠度及高容量儲存的潛在功能與特點。

MRAM將分三階段應用於不同產品

(一)較低容量(1Mbits以下)，可將微處理器與MRAM及其它邏輯電路結合，應用於微處理器控制的資料儲存。如智慧IC卡「結構如(圖九)及(圖十)」、USB Controller、1394 Controller、語音壓縮儲存、一般工業可程式應用、語音辨識儲存及各種玩具、電玩領域。

《圖十　》

(二)中容量儲存(16Mbits以下)，結合較大邏輯電路設計應用儲存資料，如Chip Set內嵌MRAM、VGA Chip內嵌MRAM、數位相機影音儲存、MP3音樂儲存、行動電話、衛星定位系統、各種IC卡資料儲存及IA產品資料暫存等。

(三)高容量(16Mbits以上)，與系統結合，如MRAM平均讀寫速度(R/W ACCESS TIME)與DRAM相當時，將漸被應用於部分PDA、NOTEBOOK、Palm及PC系統的資料儲存。

另外，以成本上的考量而言，MRAM仍然極具有競爭力，因為其設計的記憶層可堆疊於邏輯電路之上，製程掌握度比較容易，用現有的CMOS製程即可。也因為MRAM深具發展潛力，諸如美國、日本、及歐洲等著名的資訊與半導體大廠亦紛紛加入MRAM產品的研發，期能搶佔新世代記憶體MRAM的市場先機。