磁阻式随机存取记忆体技术的发展—现在与未来-物理学会.PDF

磁阻式隨機存取記憶體技術的發展 —現在與未來 文/葉林秀、李佳謀、徐明豐、吳德和 一、前言 一代記憶體，而備受市場注目。此外，由於MRAM可 以 與 現 有 的 CMOS 製 程 整 合 ， ITRS （International 1988 年 由 Baibich 等 人 發 現 巨 磁 阻 (Giant Technology Roadmap for Semiconductors ）已將其列為 Magnetoresistance ；GMR)[1]的特性時，一開始之研究 必威体育精装版的下一代記憶體，短期內主要的應用在於取代攜 中發現在室溫下巨磁阻的磁電阻變化並不大，且必須 帶式產品，如手機、PDA及數位相機內的Flash ，2010 在很低的溫度下才能夠有較大的磁電阻變化，因而其 年後則以取代高性能的DRAM為主要目標。 實用性並不大。而此研究中的巨磁阻結構主要是由兩 層鐵磁性金屬層(ferromagnetic metals) 中間夾一層金 二、MRAM 的全球發展現況 屬層所構成，在無外加磁場下鐵磁膜間的磁矩是反鐵 磁性偶合（anti-ferromagnetic coupling ）的狀態，而當 MRAM主要是利用電子的自旋特性，透過磁性結 外加一強磁場時所有的磁矩都以平行磁場方向排列， 構中自由層的磁化方向不同所產生之磁阻變化來記錄 磁阻的變化便是指在這兩個狀態下的磁電阻差別，剛 訊號的”0”與”1” ，其運作的基本原理與在硬碟上存儲 開始GMR的特性被用在磁感測元件上[2-4] ，直到1997 數據一樣，所儲存的資料具有永久性，直到被外界的 年後才被廣泛應用於磁記錄讀取頭上以提高磁記錄的 磁場影響之後，才會改變這個磁性數據。其耗能低及 密 度 。 而 1995 年 TMR 穿 隧 磁 阻 (Tunneling 反應速度快的特性，和SRAM相同，而其積集度高， Magnetoresistance ；TMR)[5]特性的發現將自旋電子的 和DRAM相同。換句話說，MRAM 具備了 SRAM和 世界推向另一個嶄新的未來，TMR結構為兩層磁性層 DRAM共同的優點，所以一般預測，MRAM在市場上 中間夾一層極薄的絕緣層，同樣在室溫條件下其產生 取代這兩種記憶體的機會是指日可待的。 的磁阻變化遠大於GMR ，且中間絕緣層的夾層一般只 事 實上 MRAM 的基本 概念早 於 1972年已被提 需厚度1nm~1.5nm的Al2O3[6] 。這兩種特性的發現成就 出 ，不過直到1992年才由Honeywell製作成原形展示 。 了 夢 幻 記 憶 體 MRAM （Magnetic Random Access 早先期MRAM的位元是利用異向性磁阻的特性(AMR) Memory ；MRAM ）的產生，該記憶體是一種利用具 製 作 出 三 層 結 構 permalloy(Ni81Fe19)/tantalum 高敏感度的磁電阻材料所製造的記憶體，是一種新穎 nitride/permalloy[10-13] ，並定義未加磁場前與加磁場後 的非揮發性（Non-Volatile ）