奈米尺寸MRAM发展所面临的瓶颈与可能解决方法.docVIP

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 1988年由Baibich等人發現巨磁阻Giant Magnetoresistance；GMR[1]的特性時，一開始之研究中發現在室溫下巨磁阻的磁電阻變化並不大，且必須在很低的溫度下才能夠有較大的磁電阻變化，因而其實用性並不大。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，而當外加一強磁場時所有的磁矩都以平行磁場方向排列，磁阻的變化便是指在這兩個狀態下的磁電阻差別，剛開始GMR的特性被用在磁感測元件上[2-4]，直到1997年後才被廣泛應用於磁記錄讀取頭上以提高磁記錄的密度。而1995年TMR穿隧磁阻(Tunneling Magnetoresistance；TMR)[5]特性的發現將自旋電子的世界推向另一個嶄新的未來，TMR結構為兩層磁性層中間夾一層極薄的絕緣層，同樣在室溫條件下其產生的磁阻變化遠大於GMR，且中間絕緣層的夾層一般只需厚度1nm~1.5nm的Al2O3[6]。這兩種特性的發現成就了夢幻記憶體MRAM（Magnetic Random Access Memory；MRAM）的產生，該記憶體是一種利用具高敏感度的磁電阻材料所製造的記憶體，是一種新穎的非揮發性（Non-Volatile）記憶體，其特性在於此記憶體不論是在寫入或讀取的速度[7-9]（約為10ns）上皆可媲美靜態隨機存取記憶體（Static Random Access Memory；SRAM）；同時在記憶容量(約為1GB)方面更可與動態隨機存取記憶體（Dynamic Random Access Memory；DRAM）相抗衡，將來並可提升密度以及速度一數量級以上。因此，被公認為是極具發展潛力，有機會取代DRAM，SRAM等所有半導體記憶體的新一代記憶體，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 Technology Roadmap for Semiconductors）已將其列為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帶式產品，如手機、PDA及數位相機內的Flash，2010年後則以取代高性能的DRAM為主要目標。 MRAM主要是利用電子的自旋特性，透過磁性結構中自由層的磁化方向不同所產生之磁阻變化來記錄訊號的”0”與”1”，其運作的基本原理與在硬碟上存儲數據一樣，所儲存的資料具有永久性，直到被外界的磁場影響之後，才會改變這個磁性數據。其耗能低及反應速度快的特性，和SRAM相同，而其積集度高，和DRAM相同。換句話說，MRAM具備了SRAM和DRAM共同的優點，所以一般預測，MRAM在市場上取代這兩種記憶體的機會是指日可待的。 事實上MRAM的基本概念早於1972年已被提出，不過直到1992年才由Honeywell製作成原形展示。早先期MRAM的位元是利用異向性磁阻的特性(AMR)製作出三層結構permalloy(Ni81Fe19)/tantalum nitride/permalloy[10-13]，並定義未加磁場前與加磁場後的阻值差異為磁阻比值MR%(magnetoresistance ratio)。讀取的方式主要是依靠磁阻不同所造成的電位變化來判別”0”與”1”的訊號，電位的變化率可達20%-30%，對感測訊號而言這樣的變化率算小[14]，且降低位元尺寸時會因為位元的邊際效應(edge curling effect)造成訊號更小，此邊際效應指的是位元邊界所產生的渦流磁區現象，會造成即使提供外加磁場依然無法使得磁區達到翻轉並使得輸出雜訊提高，若位元末端改為尖細結構將可降低此邊際效應[15]。以AMR為結構製作的MRAM元件其實用性受到相當的限制，直到發現了巨磁阻(GMR)以及穿隧式磁阻(TMR)，MRAM的開發才又有了新的進展並且越來越蓬勃。 目前世界各國對於MRAM的研發都投以國家級的力量支持，以美國為首的廠商（如IBM, Motorola, Hewlett Packard, NVE, Cypress, Honeywell等）及日本產商(如NEC, Sony, Sharp, Toshiba等)現在正急速展開以MRAM為主的下一世代記憶體的研究。另外，韓國電子大廠Samsung也積極的加入MRAM研發的行列。圖所示為MRAM的世界發展技術路程圖。其中NEC在2001年12月於美國舉行的半導體製造技術國際研討會“2001 International Electron Devices Meeting（2001 IEDM）”上發