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什么是MRAM(不挥发性磁性随机存储器)及MRAM原理、应用比较

2011-10-12 13:26来源:中国存储网
导读:MRAM磁性随机存储器相关的磁电阻效应和自旋电子学,较详尽地综述了MRAM的发展、工作原理、性质与应用,MRAM最大的特点是非挥发性(Non-Volatile)。
1. 前言及作者
2. MRAM(不挥发性磁性随机存储器)
2.1 MRAM的发展
2.2 GMR和TMR的基本结构
2.3 GMR型MRAM的工作原理
2.4 TMR型MRAM之工作原理
3 MRAM的特性与应用
4 结束语

1.前言

存储器是计算机硬件系统五大组成部分之一,其主要功能是存放程序和数据,它像人的大脑一样具有记忆功能并能在计算机的运行过程中自动完成指令、数据和程序的存储。作为存储器目前主要分为磁式、光电式和半导体三类,它们在电子信息与设备中都是不可缺少的基本组成部分。根据在断电情况下能否保存图像、声音和数据等信息来看,存储器又分为挥发性与非挥发性两大类。由于磁性存储器是利用磁性物质的磁性制成的,在计算机一出现时就以非挥发性作为硬盘使用而不断发展着。但在满足轻薄短小的要求上,磁性与光电存储器却难以胜任。随着电子信息特别是计算机技术的发展,磁性存储器也在不断革新。

非挥发性、高存取速度、低制造成本、制程简单、存储密度高、耗电量低与可以无限擦写等是未来存储器市场发展的主要趋势。然而直到目前还无一类能全部满足上述要求的存储器开发出来。但从小型化、非挥发性等方面看,半导体存储器尤其是磁性随机存储器(Magnetic Random Memory,MRAM)的出现,可以说是存储技术的一场革命,其发展和应用相当迅速。

本文就此论述了与磁性随机存储器(MRAM)相关的磁电阻效应和自旋电子学,较详尽地综述了MRAM的发展、工作原理、性质与应用,供参考和讨论。

新型非挥发性固态磁性随机存储器
New No-Volatility Solid Magnetic Random Memory
作者:中国西南应用磁学研究所 余声明  (四川绵阳 621000)

2.不挥发性磁性随机存储器(MRAM)

磁电阻随机存储器(MRAM)在70年代初就有报道,但由于AMR材料的ΔR/Ro值低,难于制成MRAM。自GMR效应特别是TMR效应发现后,MRAM即成为现实。MRAM最大的特点是非挥发性(Non-Volatile)。所谓非挥发性是指断电后存储的图象、声音和数据不丢失的特性。硬盘就是历史较久的非挥发存储器,而半导体动态随机存储器(DRAM)则是挥发性的器件。新近开发出的非挥发存储器产品有:闪速存储器(Flash Memory,简写为Flash)、铁电随机存储器(FRAM)、磁阻随机存储器(MRAM)及双向联合存储器(Ovonic Unified Memory,OUM)。其中MRAM是基于电子自旋产生的GMR特别是TMR效应工作的,而以磁性结构中的自由层磁化方向不同产生的磁阻变化来存储“0”和“1”的,其读写速度(10ns)可与静态随机存储器(SRAM)比美,且在存储容量上与DRAM抗衡,耗电低,它将取代DRAM、SRAM等,还可以与CMOS的制备相整合,被ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductor)列为最新的下一代存储器产品,并于近期内可用于移动产品中(如手机、PDA、数码相机的Flash),而至2010年将全面取代DRAM。

2.1 MRAM的发展

随着IC、LSI、VLSI以及硅组件的微小化、集成化的持续发展,现在半导体组件尺寸已经接近0.1微米。然而在研发奈米级半导体技术时,发现组件的工作原理也有其极限,因此科技工作者则在寻求新的出路,于是现在有许多以新原理为基础的相关组件研究在蓬勃的进行着。Magnetoresistance Random Access Memory(MRAM)是利用以奈米级磁性结构特有的自旋相关传输为基础的磁电阻效应所得到的一种新颖的非挥发性固态磁存储器,不能不说是其中最成功的一例。随着自旋隧道结(Magnetic Tunneling Junction) 较大的穿隧磁电阻(TMR)技术日渐成熟,研究人员对于MRAM的期待愈来愈大。

电流是电荷载子流动造成的,但电子是有两种自旋方向,为何日常生活中使用的电子组件只感受到电荷的表征而没有自旋的表征呢?主要原因是自旋能够维持在一定方向的行进距离太短,因此自旋在经过长距离的路径后,由于自旋不断翻转后的平均效应,导致两种自旋无法分辨。但由于奈米技术的成熟,使得人们可确保自旋在前进过程中维持一定的方向,这两种不同的电荷载子在电路中有不同的传输特性,而其分别对磁场的反应也不一样,一般称为自旋相关磁电阻。近十年来发现自旋相关磁电阻分为三类: 巨磁电阻(GMR), 超巨磁电阻(CMR,)与穿隧磁电阻(TMR)。这些自旋相关传输特性有其共同的特性:磁电阻变化大、无方向性及负磁电阻变化行为。

电子自旋的组件研究,由上世纪90年代中期至今短短十年间,由基础研究快速的进入商品量产开发,其速度是惊人的。MRAM是目前极具商业前景的自旋电子产品之一,由于MRAM具有抗辐射性的能力,使得MRAM在太空科技的应用上占有重要的地位。MRAM同时具有非挥发性、低耗电量的特质,是非常适合使用在兼顾环保的最前端机器(例如各种移动型计算机、网际网络、电视、家庭服务器、移动电话、数字相机等)上。此外,在高龄社会渐成主流的同时,未来对可携带型医学电子产品的需求一定会与日俱增,MRAM必定备受瞩目。MRAM具有的极为优越的温度特性,亦被期待可运用于各种极限温度中所使用的机器之内存上。由于MRAM未来的市场潜力无穷,因此全球各大随机存取内存公司均在积极开发。图1为全球MRAM的技术发展进程示意图。可见,从1996-2004年间其技术发展是相当快的。

什么是MRAM(不挥发性磁性随机存储器)及MRAM原理、应用比较

2.2 GMR和TMR的基本结构:

由于异性磁电阻效应的MR值比较小,其应用需求备受限制。之后,由于发现了巨磁电阻效应材料(GMR), MRAM的开发才又有了新的进展。目前TMR研发的顺利更使得MRAM的相关研发越来越蓬勃。

什么是MRAM(不挥发性磁性随机存储器)及MRAM原理、应用比较

GMR与TMR的基本结构图

两者皆为三层构造,有两层磁性层,而在这两层磁性层间则存在着一层厚度为奈米级的非磁性中间层(spacer),其中GMR的非磁性层是由铜等金属所构成,而TMR部分则采用Al2O3等绝缘体。前者界面处的传导电子会呈现漫游现象,由于传输电子之极化特性,一般说来,当上下两层磁性层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。而后者也因为会引起自旋极化电子的穿隧率改变,当上下两层磁性层的磁化现象互为平行时的电阻会较反平行时来得小。

2.3 GMR型MRAM的工作原理

    图3是SV MRAM结构原理,图中是一种基于GMR SV 的MRAM方案。

什么是MRAM(不挥发性磁性随机存储器)及MRAM原理、应用比较

图4是SV MRAM工作原理、信号(Vs)的波形。

什么是MRAM(不挥发性磁性随机存储器)及MRAM原理、应用比较

在图3中,反铁磁层和钉扎层用作记录“1”和“0”,当字线电流(Iw)方向为正时(电流方向由里向外),其电流大小使导线周围形成的圆磁场超过反铁磁层的矫顽力时,称为记录“0”,反之,当字线电流为负(电流方向由外向里),使反铁磁层的磁化方向相反,称为记录“1。”读出时,在字线中通以正、负极性的、能使自由层改变方向的读出电流(IS)。当读“0”时,自由层和钉扎层自旋之间由反平行到平行,磁电阻由大变小,读出信息(VS)为负;当读“1”时,磁电阻由小变大,VS为正。这个过程可以是不破坏的,在进行了3亿次读出后,信号不会发生任何变化。 MRAM和半导体RAM相比其最大特点是非挥发性(非易失)、抗辐射、长寿命、低成本。由于GMR材料的使用,每位尺寸的减小并不影响读出信号灵敏度,可以获得最大的存储密度,结构简单,制作工艺也得以简化(表1)。

什么是MRAM(不挥发性磁性随机存储器)及MRAM原理、应用比较

随着TMR研究的进展,MRAM将获得更好的性能。因此说,MRAM的采用将是计算机内存芯片的一场革命。特别是它的非易失、抗辐射性能,在军事应用中也将发挥重大作用。

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