2.5. 자성(Magnetic) 소재 반도체 응용 (MRAM)

자기 저항 메모리(Magenetic Random Access Memory, MRAM)

• 데이터를 저장하기 위해 자기 상태를 이용하는 비휘발성 메모리 기술
• 메모리 셀 내부 자성층의 자화 방향에 따라 정보 저장
• 전원이 공급되지 않아도 데이터 유지.

Tunneling Magnetoresistance(TMR)

• MTJ( Magnetic Tunnel Junction)의 저항이 자기층의 상대적인 자화 정렬에 따라 달라지는 양자역학적 효과에 기반.
• 두개의 강자성층과 비자성 장벽층으로 구성되어 있음.
• 평행 자화(Parallel Magnetization) : 자유층과 고정층의 자화가 평행하게 정렬될 때, 터널 접합은 낮은 전기저항(RP)를 나타내며 이진수 1을 나타냄.
• 반평행 자화(Anti-Parallel Magnetization) : 자화가 반대방향일때, 접합은 높은 전기저항(RAP)을 나타내며, 이는 이진수 0을 나타냄.

 

 

데이터 읽기와 쓰기

 

데이터 읽기:

• MRAM은 터널 접합에 작은 전압을 인가하고 결과 전류를 측정하여 데이터를 읽음.
• 전류의 크기는 MTJ의 저항 상태를 나타내며, 셀이 1 또는 0을 저장하고 있는지 알려줌.(비파괴적-> 데이터 변경X)

데이터 쓰기: 

• MRAM의 셀의 상태를 변경하려면 인접한 쓰기 라인에 전류를 흘려 자기장을 생성함으로써 자유츠으이 자화방향을 변경
• Set 동작은 자화를 평행하게 맞춰 낮은 저항상태로 전환
• Reset 동작은 반평행하게 맞춰 높은 저항상태

 

 

 

 

STT-MRAM

STT-MRAM은 스핀 전이 토크 원리를 이용하여 스핀 편극 전류의 각운동량을 자기층에 전달함으로써 자기 상태를 변경

 

위의 STT 이미지에서는 기본 동작의 메커니즘을 보여주고 있음.

• 초기상태: 자유층이 특정 자화 방향(위쪽 화살표)을 가진 초기 상태의 MTJ를 보여준다. MTJ를 통과하는 전류는 임계 전류보다 작으며, 전자의 스핀은 반대 방향으로 정렬되어 있다.
• 스핀편극 전류 적용 : 전류가 임계값을 초과하면( l>lc) 스핀 편극 전자에 의해 생성된 토크가 자유층의 자화 방향을 변경할 수 있을만큼 충분해진다.
• 자화전환 결과: 자유층의 자화 방향이 바뀌어 MTJ의 저항 상태가 변화한다. 이는 이진 데이터를 나타내는데 사용된다.

STT-MRAM의 특성과 이점

• 낮은 전력 소비(전자의 고유 특성(스핀) 사용)
• 빠른 스위칭 속도 : 스핀 편극 전류의 직접적인 작용으로 자화상태를 신속하게 전환
• 우수한 확장성 : 외부 자기장이 필요 없음
• 높은 내구성

MRAM의 장점과 단점

1) 장점

• 비휘발성
• 고속 동작 : Flash나 DRAM수준의 고속 동작 가능
• 저전력 소모
• 무한대의 기록 및 재생

 

2) 단점

• 집적도 문제 : 저장 용량 부족
• 복잡한 제조 공정