TAS技術推動MRAM邁向MLU新架構

磁組隨機存取記憶體(MRAM)是一種非揮發性的新記憶體技術，並逐漸成為業界廣泛接受的主流數據儲存技術。它整合了一個磁阻元件和一個矽基可選矩陣。MRAM的關鍵特性在於其非揮發性、低電壓作業、無限次讀寫的耐用性、快速讀寫作業，以及易於整合作為後段技術。這些特性使得MRAM具有可在各種應用中取代多種記憶體的潛力。

在最簡單的建置中，一個MRAM單元由連接至可選電晶體的磁性穿隧接面(MTJ)組成。MTJ由兩個磁層組成，中間以穿隧阻障氧化薄層隔開。其中一個磁層有固定的磁方向，稱為參考層(FR)，另一個稱為儲存層(SL)，它可從一個方向切換到另一個方向。記憶體位元的阻抗是低是高取決於儲存層相對於固定參考層的磁方向，即平行或反平行。要讀取一個位元時，可選電晶體導通後，較小的讀取電流流經穿隧接面，如圖1所示。然後將接面阻抗值與位於高低阻抗值之間一半的參考阻抗進行比較。

圖1：(a)第一代MRAM中使用傳統架構，在正交寫入線的交叉點和可選電晶體頂部都包含有MTJ單元。(b)最小磁滯迴路的原理圖顯示儲存層的反轉以及兩個對應的阻值：高’1’和低’0’。傳統MRAM架構中使用的讀取(c)和寫入機制(d)。在讀取時，可選電晶體處於導通狀態，較小電流流經MTJ堆疊，實現阻抗的測量。在寫入時，可選電晶體處於斷開狀態，2個正交磁場的組合確保了選擇性。

區分不同MRAM主要依靠寫入儲存層的方法。所有這些傳統方法都存在一個共同的問題，即其可微縮性。隨著MTJ尺寸縮減，長時間保持寫入數據狀態的能力也會降低。雖然業界嘗試用了各種方法來抵銷這種效應，但從應用角度來看，由於還存在使用更高功率寫入數據的問題，使得這種記憶體缺乏吸引力，從而限制其於市場的普及。

TAS-MRAM概念

為了打破低功耗可寫入能力與數據保持能力之間的惡性循環，業界推出了一種稱為熱輔助磁性轉換(TAS-MRAM)的新方法。這種簡單方法以溫度來區別數據儲存與低寫入功耗所需的屬性。CEA/Spintec實驗室發明的TAS-MRAM機制對磁儲存層進行了改進，增加了一個反鐵磁阻層，可在讀取作業時‘阻障’儲存層的方向。圖2所示的寫入過程包含了局部加熱接面到足以解除這個‘阻障’屬性的夠高溫度，因而使儲存層在低磁場中被重新定向。這種機制因而支援完全可微縮的位元單元、低功耗寫入以及優質的數據保持能力。

圖2：傳統MRAM架構(a)和TAS-MRAM架構(b)中的寫入過程。在TAS-MRAM寫入方法(c)中，必須先超過反鐵磁阻物質的阻障溫度後才可實現記憶體單元寫入作業，而這種物質能阻止儲存層(當兩個層被磁阻去耦時)。(d)在TA-MRAM堆疊中，儲存層和參考層都受到反鐵磁阻層的牽制。

(下一頁繼續：從MRAM到MLU)

1 • 2