MRAM的存储原理

英尚微电子 · 发表于 2020-10-21 15:20:35

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MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。它拥有SRAM的高速读取写入能力，以及DRAM的高集成度，基本上可以无限次地重复写入。专注于代理销售MRAM芯片等存储芯片供应商英尚微电子详细介绍关于MRAM的存储原理。MRAM单元的结构和目前硬盘驱动器中GMR读取头的自旋阀膜系结构相似,自旋阀的工作机理如下。

1、自旋阀

电子作为电流的载体,用的是电子的电荷,也就是说电流是电子电荷的输运。但电子不仅有电荷,而且有自旋,自旋阀就是利用电子自旋(而非电荷)作为数字信息的载体,即用自旋向上或自旋向下来表征二进制的‘0’或‘1’，并利用TMJ的量子隧道势垒对不同自旋方向的电子实现选择性通过,在这种情况下信息传输靠的是电子自旋的输运,简称自旋输运(Spin Transfer)。

2、信息的写入

为了有选择地将信息写入二维MRAM存储阵列的各存储单元，使用由位线和字线电流在

MRAM

单元自由层产生的合成磁场来实现。在运行时,利用编码排序使二维MRAM阵列中只有一条字线和一条位线通过电流(如图1),因而只有一个MRAM单元被选中,这时可以有两种写人状态:

(1) 电流在MRAM单元自由层内的合成磁场方向与钉扎层内的磁场方向相同

电子在自由层磁场的作用下,自旋被极化为‘向上'或‘向下’的取向。由于隧道势垒的作用,不同自旋方向的电子通过隧道结的几率不一样,如果自旋‘向上'的电子通过隧道结的几率较大,则自旋‘向下’的电子通过隧道结的几率就很小，可忽略不计。所以隧道结起到‘自旋阀’的作用。在自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的情况下,MRAM单元表现为低阻状态,对应的写入态记作‘0’。见图1。

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图1位线和字线在自由层中形成的合成磁场

图1示出位线和字线在自由层中形成的合成磁场,为方便计,图中只给出MRAM单元的自由层。当位线和字线电流的磁力线分别如图中所示时,自由层中形成的合成磁场方向向右,也就是自由层材料中的磁畴取向向右。此时MRAM单元表现为低阻状态,对应的写入态记作‘0',如图1右侧的小块所示。

(2)位线电流反向(图2),使MRAM单元自由层内的磁畴取向和钉扎层内的磁场方向相反(图3)

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图2位线电流反向

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图3 MRAM单元的写‘1’态

在此情况下，自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的几率很小,MRAM单元表现为高阻状态,对应的写入态记作‘1',如图1左侧的小块所示。

3、信息的读出

信息读出时,只有当一条位线和一条字线的电流选中了如上述的已写单元时,才能从它的磁阻大小判断已存入的信息是‘0’还是‘1'。读出原理看来简单,实际情况却相当复杂,说明如下。

图4给出由4个MRAM单元组成的删格,在一条位线和一条字线加上电压后，由图可见被选中的是4号MRAM单元,这时电流从‘+V’电极流至‘-V’电极可以有两条通道。

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图4信息读出时电流的正常通道(白色箭头)和潜行路线(黑色箭头)

(1）电流可以通过图4中白色箭头所示的路线从‘+-V’电极流经4号MRAM单元到‘-V’电极,从而测出第4号MRAM单元的磁阻。

(2) 电流也可以通过图6中黑色箭头所示的潜行路线,从‘+V’电极先后经过第1、2、3号MRAM单元最后到达'-V’电极，因此测出的磁阻不仅仅是第4号MRAM单元的磁阻,而是迭加了其它单元磁阻后的结果。这就导致读出错误。

对于大规模集成的

mram芯片

,情况则更复杂。解决此读出难题的最佳方案是在每个MRAM单元都集成一个晶体管,使读出时只有被选中的MRAM单元中的晶体管导通,其它未选中MRAM单元的晶体管总有截止的,因而不能形成电流回路。这样可分别测得第4号MRAM单元存值为‘0’态和存值为‘1’态时的磁阻,并由此计算隧道磁阻改变率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)。