MRAM技术简介

20世纪80年代,法国Albert Fert与德国Peter Grünberg两位科学家在研究磁/非磁纳米多层膜的层间耦合时发现了巨磁阻(Giant Magneto Resistance,GMR)效应,揭示了磁性纳米薄膜结构中电子自旋与电子输运过程的关联及调控方法,孕育了迄今为止容量最大、应用最广泛的现代电脑硬盘,对信息存储领域起到了划时代的推动作用,两位科学家因此获得2007年度诺贝尔物理学奖。

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Albert Fert(左图)和 Peter Grünberg(右图)

在GMR效应发现后,数据存储产业获得了突飞猛进的发展。1995年变化率更大、更稳定的隧穿磁阻效应(Tunneling Magneto Resistance,TMR)被发现,2002年TMR磁头替代GMR磁头进入市场,使硬盘的记录密度更进一步提升。

除了硬盘,TMR效应也孕育了另一种磁性存储器——磁随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)。Toggle-MRAM是第一代商用MRAM,以电流产生磁场,利用磁场改变自由层磁化状态,实现数据写入功能。它具有无限擦写次数、抗辐射、宽工作温度范围等特性,但难以进一步突破密度和功耗限制。


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Toggle-MRAM(左图)和 STT-MRAM(右图)

1996年,Slonczewski和Berger预测了电流自旋转移力矩(Spin Transfer Torque,STT)作用,该效应在1999年被实验室验证。利用电流STT作用,可以制作全电流写入的MRAM,即STT-MRAM。STT-MRAM具有结构简单、存储密度高、功耗低、速度快等优势。2011年日本东北大学展示了垂直磁化的CoFeB/MgO/MgO磁性隧道结(MTJ),基于垂直磁化的MTJ的写入电流具有更好的可微缩性,在先进工艺节点、高密度存储需求中拥有巨大的应用潜力。

目前世界上多家知名半导体巨头如IBM、GlobalFoundries、Samsung、TSMC、UMC、SK Hynix、KIOXIA等和一些专注于MRAM的初创公司均在开展STT-MRAM相关产品技术研发。