非易失性MRAM数据写入与读取

英尚微电子

一般来说，存储结构设计的核心是确保磁性隧道结所表征的数据可以快速读出，并且能够根据需要快速进行改变，另外还有一些工程上的设计比如堆叠设计、数据密度提升等。而在数据读写方面，还会存在使用磁场写入法和电流写入法两种完全不同的方法。

先来看看磁场法写入数据。这种方法的核心在于数据的写入是通过字线和位线电流流过时同时产生的磁场实现对数据的改写。需要注意的是当字线或者位线二者中的一个有电流流过时，产生的磁场仅仅是自由层矫顽力的一半,因此不能改变自由层磁场的方向，且磁场相互正交。只有当字线和位线同时通过电流并产生磁场时，字线和位线交点处的磁隧道结自由层才会获得确定的磁场方向，从而和下方的固定层结合，实现数据的存储。目前磁场法的

MRAM

产品是业内大部分厂商的研发对象，这种方法的特点也比较明显，一是产品功耗略高;二是由于存在从电到磁、磁到磁的作用过程，因此速度比较慢;三是结构比较复杂，制造难度比较高;四是存储密度可能由于结构问题很难进一步提高。

除了磁场法改变数据外，还有一种方法是电流法。业内也有将磁场法写入归入第一代MRAM,电流法写入归入第二、三代MRAM。具体来说当电流通过磁性层时，电流会被极化，形成自旋极化电流，自旋极化电流可以将自己的自旋动量传递给自由层，使得自由层获得磁矩。

因此这种方法是通过自旋极化电流来改变磁场方向的，且一般都使用前文提到的第二种磁性隧道结。需要注意的是，电流法改变自由层磁矩方向一般有两种变化: 一是将自由层的磁矩方向改变成和固定层相同，此时电流从固定层流向自由层。在这种情况下固定层较厚、较强的磁场带来了极化电流，极化电流穿过隔离层后，还能保持极化方向，因此能够将自旋角动量转移给非常薄的自由层，实现自由层磁矩方向和固定层相同。二是将自由层的磁矩方向改变成和固定层相反，此时电流从自由层流向固定层。在这个过程中电子和固定层发生交换耦合作用，使得自旋平行于固定层磁矩的电子通过，和固定层磁矩相反的电子被反射。因为固定层较厚且磁性较强，相反方向的电子不可能改变其磁矩方向，反倒通过极薄的隔离层又和自由层发生交换耦合作用，使得自有层磁矩和固定层呈现相反的状态，实现了自由层磁矩的翻转。从结构上来说电流法的存储单元结构相比磁场法要简单一些， 因为不再需要字线，是目前MRAM存储中比较看重的一个研究方向。

从产品特性来看，电流法的

MRAM

特点如下:是写入速度快，因为直接使用电流对磁场产生影响;二是存储密度高，由于没有字线，因此存储密度相比磁场法要高出不少;三是功耗较低;四是不会产生磁场的交叉影响，因此数据稳定性更高。

说完了数据写入，再来一起看看数据读取。相比之下数据的读取要容易很多。只要字线和位线同时通过较小的电流后检测磁隧道结带来的电位差就可以了。因为隧道效应的存在，如果磁隧道结处于低阻状态，电位差很小;如果隧道效应不存在，则证明磁隧道结处于高阻值状态，电位差则很大。通过电位差的大小，就能判断此时磁隧道结存储的数据的状态，同时将数据传输给系统。另外这种读取数据的方法完全是非破坏性的，也不会影响到数据的稳定性。

MRAM依靠优秀的特性和出色的性能，成为了下一代存储产品的有力竞争者。MRAM已经正式出货并且在逐步提升容量。从产业角度来看，进入2017年后各种非易失性存储技术开始爆发，MRAM也是这些新技术中的一种，并且走在比较前端的位置。

Everspin

是专业设计和制造MRAM和STT-MRAM的翘楚，其市场和应用领域涉及数据持久性和完整性，低延迟和安全性至关重要。Everspin在数据中心，云存储，能源，工业，汽车和运输市场中部署了超过1.2亿个MRAM和STT-MRAM产品，为MRAM用户奠定了强大的基础。Everspin一级代理英尚微电子可为用户提供驱动和例程等技术方面支持。

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