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什么是MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)及MRAM原理、應用比較

2011-10-12 13:26來源:中國存儲網
導讀:MRAM磁性隨機存儲器相關的磁電阻效應和自旋電子學,較詳盡地綜述了MRAM的發展、工作原理、性質與應用,MRAM最大的特點是非揮發性(Non-Volatile)。
1. 前言及作者
2. MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)
2.1 MRAM的發展
2.2 GMR和TMR的基本結構
2.3 GMR型MRAM的工作原理
2.4 TMR型MRAM之工作原理
3 MRAM的特性與應用
4 結束語

1.前言

存儲器是計算機硬件系統五大組成部分之一,其主要功能是存放程序和數據,它像人的大腦一樣具有記憶功能并能在計算機的運行過程中自動完成指令、數據和程序的存儲。作為存儲器目前主要分為磁式、光電式和半導體三類,它們在電子信息與設備中都是不可缺少的基本組成部分。根據在斷電情況下能否保存圖像、聲音和數據等信息來看,存儲器又分為揮發性與非揮發性兩大類。由于磁性存儲器是利用磁性物質的磁性制成的,在計算機一出現時就以非揮發性作為硬盤使用而不斷發展著。但在滿足輕薄短小的要求上,磁性與光電存儲器卻難以勝任。隨著電子信息特別是計算機技術的發展,磁性存儲器也在不斷革新。

非揮發性、高存取速度、低制造成本、制程簡單、存儲密度高、耗電量低與可以無限擦寫等是未來存儲器市場發展的主要趨勢。然而直到目前還無一類能全部滿足上述要求的存儲器開發出來。但從小型化、非揮發性等方面看,半導體存儲器尤其是磁性隨機存儲器(Magnetic Random Memory,MRAM)的出現,可以說是存儲技術的一場革命,其發展和應用相當迅速。

本文就此論述了與磁性隨機存儲器(MRAM)相關的磁電阻效應和自旋電子學,較詳盡地綜述了MRAM的發展、工作原理、性質與應用,供參考和討論。

新型非揮發性固態磁性隨機存儲器
New No-Volatility Solid Magnetic Random Memory
作者:中國西南應用磁學研究所 余聲明  (四川綿陽 621000)

2.不揮發性磁性隨機存儲器(MRAM)

磁電阻隨機存儲器(MRAM)在70年代初就有報道,但由于AMR材料的ΔR/Ro值低,難于制成MRAM。自GMR效應特別是TMR效應發現后,MRAM即成為現實。MRAM最大的特點是非揮發性(Non-Volatile)。所謂非揮發性是指斷電后存儲的圖象、聲音和數據不丟失的特性。硬盤就是歷史較久的非揮發存儲器,而半導體動態隨機存儲器(DRAM)則是揮發性的器件。新近開發出的非揮發存儲器產品有:閃速存儲器(Flash Memory,簡寫為Flash)、鐵電隨機存儲器(FRAM)、磁阻隨機存儲器(MRAM)及雙向聯合存儲器(Ovonic Unified Memory,OUM)。其中MRAM是基于電子自旋產生的GMR特別是TMR效應工作的,而以磁性結構中的自由層磁化方向不同產生的磁阻變化來存儲“0”和“1”的,其讀寫速度(10ns)可與靜態隨機存儲器(SRAM)比美,且在存儲容量上與DRAM抗衡,耗電低,它將取代DRAM、SRAM等,還可以與CMOS的制備相整合,被ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)列為最新的下一代存儲器產品,并于近期內可用于移動產品中(如手機、PDA、數碼相機的Flash),而至2010年將全面取代DRAM。

2.1 MRAM的發展

隨著IC、LSI、VLSI以及硅組件的微小化、集成化的持續發展,現在半導體組件尺寸已經接近0.1微米。然而在研發奈米級半導體技術時,發現組件的工作原理也有其極限,因此科技工作者則在尋求新的出路,于是現在有許多以新原理為基礎的相關組件研究在蓬勃的進行著。Magnetoresistance Random Access Memory(MRAM)是利用以奈米級磁性結構特有的自旋相關傳輸為基礎的磁電阻效應所得到的一種新穎的非揮發性固態磁存儲器,不能不說是其中最成功的一例。隨著自旋隧道結(Magnetic Tunneling Junction) 較大的穿隧磁電阻(TMR)技術日漸成熟,研究人員對于MRAM的期待愈來愈大。

電流是電荷載子流動造成的,但電子是有兩種自旋方向,為何日常生活中使用的電子組件只感受到電荷的表征而沒有自旋的表征呢?主要原因是自旋能夠維持在一定方向的行進距離太短,因此自旋在經過長距離的路徑后,由于自旋不斷翻轉后的平均效應,導致兩種自旋無法分辨。但由于奈米技術的成熟,使得人們可確保自旋在前進過程中維持一定的方向,這兩種不同的電荷載子在電路中有不同的傳輸特性,而其分別對磁場的反應也不一樣,一般稱為自旋相關磁電阻。近十年來發現自旋相關磁電阻分為三類: 巨磁電阻(GMR), 超巨磁電阻(CMR,)與穿隧磁電阻(TMR)。這些自旋相關傳輸特性有其共同的特性:磁電阻變化大、無方向性及負磁電阻變化行為。

電子自旋的組件研究,由上世紀90年代中期至今短短十年間,由基礎研究快速的進入商品量產開發,其速度是驚人的。MRAM是目前極具商業前景的自旋電子產品之一,由于MRAM具有抗輻射性的能力,使得MRAM在太空科技的應用上占有重要的地位。MRAM同時具有非揮發性、低耗電量的特質,是非常適合使用在兼顧環保的最前端機器(例如各種移動型計算機、網際網絡、電視、家庭服務器、移動電話、數字相機等)上。此外,在高齡社會漸成主流的同時,未來對可攜帶型醫學電子產品的需求一定會與日俱增,MRAM必定備受矚目。MRAM具有的極為優越的溫度特性,亦被期待可運用于各種極限溫度中所使用的機器之內存上。由于MRAM未來的市場潛力無窮,因此全球各大隨機存取內存公司均在積極開發。圖1為全球MRAM的技術發展進程示意圖。可見,從1996-2004年間其技術發展是相當快的。

什么是MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)及MRAM原理、應用比較

2.2 GMR和TMR的基本結構:

由于異性磁電阻效應的MR值比較小,其應用需求備受限制。之后,由于發現了巨磁電阻效應材料(GMR), MRAM的開發才又有了新的進展。目前TMR研發的順利更使得MRAM的相關研發越來越蓬勃。

什么是MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)及MRAM原理、應用比較

GMR與TMR的基本結構圖

兩者皆為三層構造,有兩層磁性層,而在這兩層磁性層間則存在著一層厚度為奈米級的非磁性中間層(spacer),其中GMR的非磁性層是由銅等金屬所構成,而TMR部分則采用Al2O3等絕緣體。前者界面處的傳導電子會呈現漫游現象,由于傳輸電子之極化特性,一般說來,當上下兩層磁性層的磁化現象互為平行時的電阻會較反平行時來得小。而后者也因為會引起自旋極化電子的穿隧率改變,當上下兩層磁性層的磁化現象互為平行時的電阻會較反平行時來得小。

2.3 GMR型MRAM的工作原理

    圖3是SV MRAM結構原理,圖中是一種基于GMR SV 的MRAM方案。

什么是MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)及MRAM原理、應用比較

圖4是SV MRAM工作原理、信號(Vs)的波形。

什么是MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)及MRAM原理、應用比較

在圖3中,反鐵磁層和釘扎層用作記錄“1”和“0”,當字線電流(Iw)方向為正時(電流方向由里向外),其電流大小使導線周圍形成的圓磁場超過反鐵磁層的矯頑力時,稱為記錄“0”,反之,當字線電流為負(電流方向由外向里),使反鐵磁層的磁化方向相反,稱為記錄“1。”讀出時,在字線中通以正、負極性的、能使自由層改變方向的讀出電流(IS)。當讀“0”時,自由層和釘扎層自旋之間由反平行到平行,磁電阻由大變小,讀出信息(VS)為負;當讀“1”時,磁電阻由小變大,VS為正。這個過程可以是不破壞的,在進行了3億次讀出后,信號不會發生任何變化。 MRAM和半導體RAM相比其最大特點是非揮發性(非易失)、抗輻射、長壽命、低成本。由于GMR材料的使用,每位尺寸的減小并不影響讀出信號靈敏度,可以獲得最大的存儲密度,結構簡單,制作工藝也得以簡化(表1)。

什么是MRAM(不揮發性磁性隨機存儲器)及MRAM原理、應用比較

隨著TMR研究的進展,MRAM將獲得更好的性能。因此說,MRAM的采用將是計算機內存芯片的一場革命。特別是它的非易失、抗輻射性能,在軍事應用中也將發揮重大作用。

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