什么是MRAM（不挥发性磁性随机存储器）及MRAM原理、应用比较

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。

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。

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。

图4是SV MRAM工作原理、信号（Vs）的波形。

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）。

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。#p#MRAM的特性与应用#e#

2.4 TMR型MRAM之工作原理

TMR型MRAM的读写机制仍是利用半导体业界中传统的x-y选取线路，其中的自旋反转磁场则是由流经位线（Bit Line）与字线（Word Line）的电流磁场所共同合成的。经由此动作则只有被选择的记忆元的磁化会进行反转，而得以顺利进行记录的动作。至于未被选择的记忆元部分，则只有位线或字线的其中之一会被施加电流磁场，因此无法形成足够的反转磁场，所以无法进行信息写入动作。

图5显示TMR型MRAM基本的记忆元构造，此记忆位置于矩阵配线的位线与字线之交叉点上配置记忆元，再经由流经各配线之电流所形成合成磁场以反转呈交叉状态的存储元件磁性自旋，并经由TMR效应将其方向读取或写入为"1"或"0"。 TMR型MRAM在记录资料时则是先固定一磁性层自旋，再写入另一方向的自由磁性层上；读取资料时则是利用TMR效应来进行，进行资料读取时无须反转自旋，因此是属于非破坏性读取。此外，由于隧道结组件的电阻较高，因其显著特征是很小的读取电流就可以得到相当大的输出功率，因此也让MRAM备受重视。 TMR型MRAM由于TMR型的组件电阻过高，无法像GMR型MRAM成垂直排列。

图6显示IBM的仿DRAM样型设计的MRAM位结构中采用MTJ组件的典型记忆元设计，每个位皆是由一个MTJ组件和一个MOS晶体管构成（1T1J）。就基本而言，其构造就是把DRAM的电容置换为MTJ组件。在进行写入动作时，将晶体管OFF，使电流流经MTJ组件以完成该动作。MRAM与DRAM的最大差异点就在一个是非挥发性内存而另一个是挥发性内存。目前新式的MRAM设计已不再使用位中的MOSFET来寻址，而只使用单纯利用x-y选取线路来寻址，这种设计的好处在可以大量降低MOS的使用数量。

3 MRAM的特性与应用

3.1 MRAM的特性

电子像一个小磁体一样在不断地旋转着，称这种运动为自旋。根据旋转方向可分为向上与向下两种自旋方向。自旋磁电阻就是一个存储单元，它是一些特殊的小点，拥有特殊的三明治结构，上下层为引发电子自旋、产生磁场的磁性层，中间为担负产生磁阻变化的非磁性层。由于电子自旋态的不同而产生磁场的性质差异，在不同的磁场下中间层的电阻也就不同，从而使通过的电流强度不同，电脑再通过强度来控制或判断出是“0”还是“1”。 MRAM是以磁电阻性质储存记录资料的随机存储器，采用磁化方向的不同来记录“0”与“1”。只要外在磁场不改变，磁化的方向就不会变更，不像DRAM为了要保持资料需让电流不断流动，MRAM也不需refresh的动作。其优点为写入与读取时间的速度上可与SRAM比美，同时在记忆容量上可与DRAM相抗衡（表1）。

原则上讲，MRAM的重复读写次数几乎可无限次，又兼具高密度、耗能低与非挥发的特性，故其被认为是电子组件中梦幻的内存。MRAM由于是金属材料为主，因此抗辐射能力远较半导体材料强；又由于其是磁性材料，因此它是非挥发性的。此外，隧道式磁电阻材料尚有一半导体材料所无法竞争的特色，那就是电阻值大，使得其组件的耗能低，而这一特色在微米或奈米组件中是相当重要的。Honeywell在原型展示时，显示其密度约与SRAM等量，目前此方面的研发日新月异，最新式的产品已可与现今的动态随机内存相抗衡，唯一有待评估的是经济规模。一般而言Si制成的随机内存在小于0.1微米时，由于热生成的问题，将出现能隙太小的困扰，而此时则是MRAM扩张市场的最佳机会。MRAM目前最受业界注意的特性是非挥发性，虽然目前市场上已有FLASH、FRAM（表2），然而MRAM的读写速度较快且重复读写次数又高，因此极有可能在投产后会快速切入这部份市场。这种多功能的内存有潜力取代所有的内存，成为终极内存，为此许多内存厂商均全力以赴，希望在此一领域占得先机。

根据美国专业半导体研究机构 EDN分析，如将 MRAM与 DRAM、 SRAM、 FLASH等内存做比较，在“非挥发性”特色上，目前仅有 MRAM及 FLASH具此功能；而在“随机存取”功能上，则 FLASH欠缺此项功能，仅 MRAM、 DRAM、 SRAM具备随机存取优点。就“读取速度”而言， MRAM及 SRAM的速度最快，同为 25～100n s。不过， MRAM仍比 SRAM快； DRAM则为 50～100n s，属于中级速度；相较之下， FLASH的速度最慢。 在写入次数上， MRAM、 DRAM以及 SRAM则都属同一等级，约可写入无限次的记忆， 而 FLASH则只约可写入 106次。至于“芯片面积”的比较， MRAM与 FLASH同属小规格的芯片，所占空间最小； DRAM的芯片面积则是属于中等规格，SRAM更是属于大面积规格的芯片，其所占的空间最大。 在嵌入式设计规格方面， DRAM、 SRAM、 FLASH同属良率低、须增加芯片面积设计规格；而 MRAM则是拥有性能高、不须增加芯片面积的特殊设计。 最后在耗电量相比较，只有 MRAM以及 SRAM拥有低耗电的优点， FLASH则是属于中级的耗电需求，至于 DRAM更是具有高耗电量的缺点。

3.2应用与市场

MRAM和DRAM有着非常重大的差别。MRAM芯片可以在断电的情况下依靠磁性的极性来保存数据，而DRAM在断电以后则会丢失它之前保存的所有数据。正因为这个因素才引起了存储器翻天覆地的变化。采用这种非易失性内存最显而易见的好处是计算机似乎已经不需要再有什么重启的时间了（当然你主动重启例外）。这简直完全改变了我们使用电脑的习惯。我们知道每次按下电源，然后花费1分钟左右的时间等待电脑就绪，这样的过程使得电脑和其它家用电器插上电源即可使用的方式比起来是多么不同。但或许正因为如此，对很多上了年纪的人来说电脑看起来是那么难以掌握。要想让电脑彻底融入人们的生活，首先就必须解决使用习惯上的差别。要是这项技术获得成功，也就意味着无论何时我们都可以“立即”使用电脑了。

DRAM这种动态存储器是依靠电容上存储的电荷来暂存信息的。但电容上的电荷始终会发生泄漏，因此就必须不断地动态刷新电容否则数据就会丢失。在一个典型的基于DRAM的机器上，操作系统和应用程序是被存储于硬盘驱动器上的。所以当计算机每次被你加电唤醒过来的时候，你就必须花费几分钟来等待，这期间计算机就会把存储在硬盘的操作系统以及你已经决定了在启动时需要加入的程序载入到DRAM里来，在这里微处理器才能够快速地访问。如果你的计算机突然断电，则所有保存在DRAM中的数据都会丢失，下次要用你又得等待那个烦人的导入过程。 用MRAM替代DRAM以后，你的计算机就象其它的电器设备那样，一按开关机器就立刻运行起来，并进入到就绪状态。当你关闭掉PC，MRAM芯片将保留所有它已经载入的东西，包括操作系统和应用程序。

MRAM是一种非易失性的内存，这意味着它一定是基于某种固态的设计，在芯片上的设计不必周期性地刷新。实际生活中还有另外一个非易失性芯片的典型范例——Flash Memory，这已经被广泛采用在了像MP3播放器、数字照相机之类的设备上。为什么不使用Flash Memory作为立即启动PC的主存呢？原因很简单，因为它有一个天生的无法克服的弊病，Flash内存单元在每次进行写操作的时候都会被损坏一点，所以大约进行了10 000次读/写周期以后，它们就报废了。因此这种内存只适合于消费电器市场，而它缺乏长期可靠性成为桌面电脑内存的致命伤。 内存的世界里有一些因素是至关重要的，芯片必须具有非易失性，电能消耗较低，价格便宜。但我们到现在也找不到一种可以满足上面所有要求的内存。我们今天所拥有的非易失性内存慢而且不够好，而动态随机存储器虽然足够快但又会在掉电后失去数据，这一切都为新产品来替代注入了动力。

1999年全球范围的DRAM市场有210亿美元，到2000年底增长44%达到300亿美元。 由于MRAM很罕见地结合了速度、密度、非易失性等内存所有的良好品行，这使得许多应用成为可能，其中包括移动电话、PDA个人数字助理以及Internet应用等等。这是因为这些设备能够从非易失性内存上获得最显著的效果。又因为MRAM的性价比非常高，它将会适用于所有的计算机而可能有更大的普及，预计今后5年内就会用上它。

4.结束语

磁阻随机存储器（MRAM）属新一代非挥发性存储器件，具有十分优异的性能和特点，拥有广阔的市场前景，它将会在计算机存储技术里引发一场革命。

参考文献

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