磁性記憶體發展演進簡介：材料世界網

磁記憶體(MRAM)是運用磁膜極化後形成自旋電阻差異來儲存資料，亦被稱為自旋記憶體。從早期磁鼓型、磁芯、磁鍍線至磁泡型記憶體結構，至今已開始走向MRAM半導體記憶體，並持續不斷地朝向微縮尺寸、提升記憶密度、省電及快速作動等方向研發。

本文將從以下大綱，由磁記憶體結構的發展演進歷史、原理及應用加以介紹。
‧磁記憶體之發展演進
　1. 磁鼓記憶體
　2. 磁芯記憶體
　3. 磁鍍線記憶體
　4. 磁泡記憶體
‧磁隨機記憶體MRAM結構及原理
‧應用場合

【內文精選】
現階段RAM以動態隨機記憶體(DRAM)、NAND快閃記憶體及靜態隨機記憶體(SRAM)等應用較為發展成熟。以DRAM記憶體發展來說，若要再次提升儲存元件密度，必須往高階奈米半導體製程(3~10 nm)製造，預期將會遭遇到製程良率及成本管控等量產瓶頸；再加上DRAM屬於揮發性(Volatile)記憶體，當作業系統關機或突發斷電後，原有暫存資訊亦會隨之消失而無法繼續保留，不利於作業系統快速啟動。有鑑於此，近年來各領域專家開始積極研究其他新興記憶體，其中具非揮發性（如Flash）、高速讀寫（如SRAM）、高元件集積度（如DRAM）之磁性記憶體(Magnetic Random Access Memory; MRAM)深具未來發展潛力，已被視為下世代新型夢幻記憶體。

磁記憶體之發展演進
4. 磁泡記憶體
緊接著具高記錄密度及高可靠度之磁泡記憶體(Magnetic Bubble Memory)於1970年開始出現，以磁材薄膜如單晶鐵氧磁體(Ferrite)或石榴石(Garnet)之薄膜膠片作為磁泡結構主體，如圖四(a)。當垂直磁場施加於薄膜表面後，易磁軸沿著垂直場方向排列；此時再施加水平磁場後使磁泡產生移動，形成磁記憶位元，如圖四(b)。由於每一磁泡之直徑僅8~12 μm等級，因此單晶磁泡記憶體之記錄密度可提升至數千組Data Bit，最為知名例子為Texas Instrument於西元1977年發明92,304-bit記錄容量之磁泡記憶體。圖四(c)為磁泡記憶體結構，包括磁泡芯片、磁場驅動及永磁鐵等組件。圖四(d)利用兩組側向線圈旋轉產生不同方向磁場以驅動磁泡產生移動，再經由放大器讀取信號。圖五為磁泡記憶體晶片整合示意圖，此記憶體奠定後來磁帶及磁碟等儲存元件，運用材料自身磁域模型來達到磁記錄之應用基礎。

圖四、磁泡記憶體(a)磁域組合；(b)磁泡移動；(c)陣列結構；(d)元件整合

磁隨機記憶體MRAM結構及原理
目前MRAM儲存資料是運用磁芯膜層被磁場極化後，不同磁矩方向會產生高低電阻（定為0或1）進行資料位元存取，圖六(a)為根據外加磁場方向進行平行或反平行之磁性自旋組態排列，上層自由磁性層因本質矯頑磁力弱，僅需小磁場即能進行翻轉，可以形成和下層釘扎層自旋反平行組態的高電阻(“1” bit)態；若再加相反的磁場時則使上層翻轉而和下層形成平行組態，因此形成低電阻(“0” bit)態，磁記憶原理就是利用這二種不同自旋電阻來進行資料儲存。圖六(b)為最早的感應式MRAM元件結構，於左下方處控制一組電晶體電流進行資料讀取或寫入，當電晶體開路時，電流通入至上方(Write Line 1)及下方(Write Line 2)產生磁場進行位元寫入；當電晶體閉路時....…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。

圖六、(a)磁性自旋電子組態；(b)磁性記憶體結構