磁性記憶體(MRAM) 技術發展與應用前瞻

1、本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。磁性記憶體磁性記憶體 (MRAM)技術發展與應用前瞻技術發展與應用前瞻工研院電子與光電研究所工研院電子與光電研究所 (EOL/ITRI)非揮發性記憶體部非揮發性記憶體部洪建中 專案經洪建中 專案經DTF 2008 Embedded World 2008/01/22本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。MRAM 技術簡介技術發展與系統應用技術前瞻與未展望Ou

2、tline本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。MRAM 技術簡介技術簡介From F, 2006 SRAM速快速快、密低、揮發性、密低、揮發性 DRAM速中、速中、密高密高、揮發性、揮發性 FLASH速慢、密中、速慢、密中、非揮發性非揮發性 MRAM (集三者之優點)(集三者之優點)速快、密高、非揮發性速快、密高、非揮發性本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。PCMDRAMSRAMFlash

3、 SpeedRead/Write cyclesMRAMMemoryStorage 40GB 2-4GBMRAM 定位定位本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。何謂何謂 Magnetic RAM ?- 非傳統的電荷蓄積型，而是一種用磁性阻抗效果的非傳統的電荷蓄積型，而是一種用磁性阻抗效果的RAM。硬碟硬碟HardDisk Driver 高速資傳送 Byte單價低/大容 體積重 高耗電 耐撞擊半導體半導體Memory 體積輕 低耗電 耐撞擊 傳送速低 Byte單價高/小容高速資傳輸、體積輕、低耗電

4、、很耐撞擊MRAM本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。high R, “1” statelow R, “0” stateFree LayerPined LayerKey Device: MagneticTunneling Junction (MTJ)本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。 FM: Free LayerFM: Free Layer- - Fe, Co, Fe, Co, NiFe

5、NiFe, , CoFeCoFe, , CoFeBCoFeB AFM: Pinning LayerAFM: Pinning Layer- - NiONiO, , PtMnPtMn, , IrMnIrMn Tunneling BarrierTunneling Barrier- - AlAl2 2O O3 3, , MgOMgO FM: Pinned LayerFM: Pinned Layer- -Fe, Co, Fe, Co, NiFeNiFe, , CoFeCoFe, , CoFeBCoFeBFMFMAFMTunneling BarrierSubstrateCap Cap: Capping L

6、ayerCap: Capping Layer- - Ta , Ta , RuRuMagnetic TunnelingJunction (MTJ)本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。FixedMagnetic LayerDigit LineBit LineIsolation Transistor “ ON”Free Magnetic Layer, InformationStorage.Tunneling BarrierSense Current取模式取模式Source : MotorolaMR

7、AM 寫操作寫操作Isolation Transistor“ OFF”Program CurrentHeProgram CurrentHh寫入模式寫入模式本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Source：US6545906B1, Motorola, 2003Toggle Mode MRAM- (a) SAF Free Layers, (b) Time-delay waveform and (c) 45 deg. rotated cellPtMnTop Pinned LayerRuBottom

8、 Pinned LayerXAl2O3BarrierFree 2, NiFeTop ElectrodeBottom ElectrodeRuFree 1, NiFe(b) 順時針引導式翻轉順時針引導式翻轉(a) SAF: 雙自由層雙自由層Spin Flop(c) 45 deg.: 增加寫入選擇性增加寫入選擇性本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。 MRAM MRAM MRAM 技術簡介技術簡介技術簡介技術發展與系統應用 技術前瞻與未展望技術前瞻與未展望技術前瞻與未展望Outline本資暨智慧財產

9、權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。非揮發性記憶體成長快速非揮發性記憶體成長快速可攜式電子產品是未趨勢可攜式電子產品是未趨勢本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。新興非揮發性記憶體之要求新興非揮發性記憶體之要求主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品節電消耗待機時間延長、長效電池小型化、系統化 (SOC)減少組件目、低成本快速系統操作加速操作、Instant on System本資暨智慧財產權屬工

10、業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。新興非揮發性記憶體之要求新興非揮發性記憶體之要求主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品節電消耗待機時間延長、長效電池 小型化、系統化小型化、系統化小型化、系統化(SOC)(SOC)(SOC)減少組件目、低成本減少組件目、低成本減少組件目、低成本 快速系統操作快速系統操作快速系統操作加速操作、加速操作、加速操作、Instant on SystemInstant on SystemInstant on System“嘜擱卡啦嘜擱卡啦” 長效手機長

11、效手機,待機時間 延長待機時間 延長10倍倍Ref.Philips Xenium99待機待機30天天本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。電化考電化考低可攜式機器在待機時其LSI所需電SRAM/mA非揮發性RAM/100A以下 電池壽命10倍050010001500200025003000電消耗（電消耗（A）100 ACase 1基本設計基本設計Case 2Case 3Logic部分關掉部分電源Memory部分維持低電壓採用非揮發性RAMLogic部分Memory部分合計待機電為低電源電壓待機

12、電為低電源電壓1) Flash可資寫入緩慢2) FeRAM可資改寫次有限(Re-writable)非揮發性非揮發性RAM的必要性的必要性本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品 節電消耗節電消耗節電消耗待機時間延長、長效電池待機時間延長、長效電池待機時間延長、長效電池小型化、系統化(SOC)減少組件目、低成本 快速系統操作快速系統操作快速系統操作加速操作、加速操作、加速操作、Instant on SystemInstant

13、on SystemInstant on SystemLogicMemorySOC晶片面積節晶片面積節50%以上以上新興非揮發性記憶體之要求新興非揮發性記憶體之要求本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。記憶體整合系統記憶體整合系統收訊電送訊電通訊控制CPU記憶體訊號處電通訊通訊Block記憶體2Application BlockLCDCameraGPSetc.可攜式電話終端系統可攜式電話終端系統語音處語音處&電源控制部電源控制部RAMFLASH非揮發性非揮發性RAM化化外部Interfa

14、ce周邊InterfaceMemory BusCPUCore內部BusI cacheD cacheCPU可攜式電話終端可攜式電話終端Memory的組成的組成Application Control CPU本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品主要應用：可攜式電子產品 節電消耗節電消耗節電消耗待機時間延長、長效電池待機時間延長、長效電池待機時間延長、長效電池 小型化、系統化小型化、系統化小型化、系統化(SOC)(SOC)(SOC)減少組件目、低成本減

15、少組件目、低成本減少組件目、低成本快速系統操作加速操作、Instant on Systemzz“即時開啟即時開啟” 需等待需等待操作時間操作時間Flash sMRAM 1010ns操作速提高操作速提高 100倍倍新興非揮發性記憶體之要求新興非揮發性記憶體之要求本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Samsung, ISSCC 2004Samsung, ISSCC 2004操作速考操作速考本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，

16、非經許可得以任何方式翻製或複印。Instant-on SystemCoreREGISTERCache主要記憶體主要記憶體StorageCPUSRAM揮發性非揮發性揮發性非揮發性（Memory各層構造）各層構造）採用非揮發性RAM實現Instant on SystemDRAMSRAM可攜式機器可攜式機器PCHDDFlash非揮發性非揮發性Conventional: Load data from NVM, then process in SRAMNew NVM (MRAM): data ready in NVM, then process in the same NVM本資暨智慧財產權屬工業技術研

17、究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。新非揮發性記憶體新非揮發性記憶體“嘜擱卡啦嘜擱卡啦” 長效手機長效手機,待機時間 延長待機時間 延長10倍倍LogicMemorySOC晶片面積節晶片面積節50%以上以上操作時間操作時間Flash sMRAM 1010ns操作速提高操作速提高 100倍倍Ref.Philips Xenium99待機待機30天天系統應用策系統應用策zz“即時開啟即時開啟” 需等待需等待新興非揮發性記憶體之要求新興非揮發性記憶體之要求本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本

18、資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。廠 商IBM/Infineon(ISSCC 2006)Freescale(VLSI 2005)(IEDM 2005)Samsung(InterMag 2003)(IEDM 2003)Renesas(VLSI 2004)Sony(IEDM 2005)Spin-RAMHitachi(ISSCC 2007)Spin-RAMToshiba/NEC(ISSCC 2006)ITRI(IEDM 2006)MR ratio (%)35 (300mV)40 (300mV)27 (400mV)20 (350mV)160 (0 mV)2000.08

19、 x 0.160.012 Mb0.2100401.8Jc 6E6(A/cm2) 30 (300mV)TMR size (um2)0.30 x 0.60 0.30 x 0.90 0.22 x 0.55 0.40 x 0.800.26 x 0.480.10 x 0.150.24 x 0.4816 Mb0.13341.87 (111 F2)791.80.36 x 0.60Specific Resistance(K Ohm-um2)2 52 5 111 13 30.02 2 5Memory Capacity(bits)16 Mb4 Mb4 Kb64 Kb1 Mb4 Kb1 MbDesign rule

20、(um)80.15Writing time (ns)30 40254510250Reading time (ns)30 40251035Cell area (um2)1.42 (43 F2)1.55 (48 F2)0.29 (36 F2)2.06 (36 F2)0.81 (47 F2)1.57 (48 F2)Chip area (mm2)79283.8836Voltage (V)1.8 / 3.31.8 / 3.32.01.21.2 / 3.3Power (mW)ReadWrite(16 I/O)(16 I/O)55 mA105 mA(16 I/O

21、)60 100 MHzJc 2.5E6 (A/cm2)(16 I/O)(8 I/O)10 mA80 mA國際國際Mb-level MRAM發展現況發展現況本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。MRAM Debuthttp:/ computerMilitary and space app.NV-SRAMBattery-backed SRAMApplications本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或

22、複印。4 Mb MRAM Data Sheet本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。http:/ MRAM: Reliability and EnduranceTarget ApplicationAutomotive-use MCUs本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Motorola RIZR Z8針對當前智能機普遍存在的速遲緩問題,Motorola RIZR Z8還引入Motorola自

23、己的技術解決方案-磁阻式隨機存取存儲器MRAM記憶體技術。磁阻式隨機存取存儲器MRAM記憶體技術。手機能夠在關機態下,保存之前系統所運的程序。並且除快快與其它Symbian系統手機的開機速開機速之外； RIZR Z8手機在重啟後,幾乎可以無遲緩的即打開之前運的程序或多媒體播放功能。無遲緩的即打開之前運的程序或多媒體播放功能。(資源:新網) 法限版法限版(MRAM inside)2007/12/20 http:/.tw/tech/sinacn/cn/2007-12-20/101638218698.shtml本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工

24、業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Source: Toshiba/NEC, ISSCC 2006Toshibas 100 MHz Synchronous MRAMHybrid mode:- Asynchronous (34 ns)- Synchronous (100 MHz)- Burst mode (Latency:4)4 Mb0.13um CMOS1.8V Vdd本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。D a ta /P r o g r a m M e m o r yM R

25、A M+MCUEmbeded MRAM紀器模組紀器模組GPS接收模組加速感應器相機模組影像顯示模組MRAM儲存裝置儲存裝置察覺加速常察覺加速常攝影儲存資攝影儲存資事後收集資事後收集資分析研判資分析研判資低禍發生機低禍發生機提高安全提高安全加速禍判處加速禍判處加速安全系統開發加速安全系統開發MRAM for 汽電子汽電子MRAM+MCU應用於 Pre-Crash達碰撞預防系統在標準型記憶體應用-紀器中的記憶體本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Source: NEC/ NNVM 2006本資暨

26、智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Source: NEC/ NNVM 2006本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Die Size: 8.82 x 9.04 mm2MTJ Size: 0.36x0.72 um2Technology: TSMC 0.15LV

27、1P5M + EOL MTJ BEOL8 bit I/O, SRAM-LikeWrite 10mA (max.)Sensing Scheme (diff. amp.)Power: 3.3V (Writing, I/O),1.2V (Sensing)Access time 160%, RA=20 Ohm-um2資源：資源： Sony, IEDM 2005/12- Sony 首發表首發表: Spin-RAM (Spin Torque Transfer Magnetization Switching)本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究

28、院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。 M. Hosomi et al. IEDM 2005Sony: Spin-RAM資源：資源： Sony, IEDM 2005/12Exhibits great endurance characteristicData retention could be a problem 7 sec本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。本資暨智慧財產權屬工業技術研究院所有，非經許可得以任何方式翻製或複印。Race-track MemoryRace-track Memory- Low Cost(Density)- Performance(Random Access)- Reliability(Endu