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MRAM是一種非易失性的磁性隨機存儲器。它擁有SRAM的高速讀取寫(xiě)入能力，以及DRAM的高集成度，基本上可以無(wú)限次地重復寫(xiě)入。專(zhuān)注于代理銷(xiāo)售MRAM芯片等存儲芯片供應商英尚微電子詳細介紹關(guān)于MRAM的存儲原理。MRAM單元的結構和目前硬盤(pán)驅動(dòng)器中GMR讀取頭的自旋閥膜系結構相似,自旋閥的工作機理如下。 1、自旋閥 電子作為電流的載體,用的是電子的電荷,也就是說(shuō)電流是電子電荷的輸運。但電子不僅有電荷,而且有自旋,自旋閥就是利用電子自旋(而非電荷)作為數字信息的載體,即用自旋向上或自旋向下來(lái)表征二進(jìn)制的‘0’或‘1’，并利用TMJ的量子隧道勢壘對不同自旋方向的電子實(shí)現選擇性通過(guò),在這種情況下信息傳輸靠的是電子自旋的輸運,簡(jiǎn)稱(chēng)自旋輸運(Spin Transfer)。 2、信息的寫(xiě)入 為了有選擇地將信息寫(xiě)入二維MRAM存儲陣列的各存儲單元，使用由位線(xiàn)和字線(xiàn)電流在MRAM單元自由層產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現。在運行時(shí),利用編碼排序使二維MRAM陣列中只有一條字線(xiàn)和一條位線(xiàn)通過(guò)電流(如圖1),因而只有一個(gè)MRAM單元被選中,這時(shí)可以有兩種寫(xiě)人狀態(tài): (1) 電流在MRAM單元自由層內的合成磁場(chǎng)方向與釘扎層內的磁場(chǎng)方向相同 電子在自由層磁場(chǎng)的作用下,自旋被極化為‘向上'或‘向下’的取向。由于隧道勢壘的作用,不同自旋方向的電子通過(guò)隧道結的幾率不一樣,如果自旋‘向上'的電子通過(guò)隧道結的幾率較大,則自旋‘向下’的電子通過(guò)隧道結的幾率就很小，可忽略不計。所以隧道結起到‘自旋閥’的作用。在自旋‘向上’電子通過(guò)隧道結進(jìn)入釘扎層的情況下,MRAM單元表現為低阻狀態(tài),對應的寫(xiě)入態(tài)記作‘0’。見(jiàn)圖1。 圖1位線(xiàn)和字線(xiàn)在自由層中形成的合成磁場(chǎng) 圖1示出位線(xiàn)和字線(xiàn)在自由層中形成的合成磁場(chǎng),為方便計,圖中只給出MRAM單元的自由層。當位線(xiàn)和字線(xiàn)電流的磁力線(xiàn)分別如圖中所示時(shí),自由層中形成的合成磁場(chǎng)方向向右,也就是自由層材料中的磁疇取向向右。此時(shí)MRAM單元表現為低阻狀態(tài),對應的寫(xiě)入態(tài)記作‘0',如圖1右側的小塊所示。 (2)位線(xiàn)電流反向(圖2),使MRAM單元自由層內的磁疇取向和釘扎層內的磁場(chǎng)方向相反(圖3) 圖2位線(xiàn)電流反向 圖3 MRAM單元的寫(xiě)‘1’態(tài) 在此情況下，自旋‘向上’電子通過(guò)隧道結進(jìn)入釘扎層的幾率很小,MRAM單元表現為高阻狀態(tài),對應的寫(xiě)入態(tài)記作‘1',如圖1左側的小塊所示。 3、信息的讀出 信息讀出時(shí),只有當一條位線(xiàn)和一條字線(xiàn)的電流選中了如上述的已寫(xiě)單元時(shí),才能從它的磁阻大小判斷已存入的信息是‘0’還是‘1'。讀出原理看來(lái)簡(jiǎn)單,實(shí)際情況卻相當復雜,說(shuō)明如下。 圖4給出由4個(gè)MRAM單元組成的刪格,在一條位線(xiàn)和一條字線(xiàn)加上電壓后，由圖可見(jiàn)被選中的是4號MRAM單元,這時(shí)電流從‘+V’電極流至‘-V’電極可以有兩條通道。 圖4信息讀出時(shí)電流的正常通道(白色箭頭)和潛行路線(xiàn)(黑色箭頭) (1）電流可以通過(guò)圖4中白色箭頭所示的路線(xiàn)從‘+-V’電極流經(jīng)4號MRAM單元到‘-V’電極,從而測出第4號MRAM單元的磁阻。 (2) 電流也可以通過(guò)圖6中黑色箭頭所示的潛行路線(xiàn),從‘+V’電極先后經(jīng)過(guò)第1、2、3號MRAM單元最后到達'-V’電極，因此測出的磁阻不僅僅是第4號MRAM單元的磁阻,而是迭加了其它單元磁阻后的結果。這就導致讀出錯誤。 對于大規模集成的mram芯片,情況則更復雜。解決此讀出難題的最佳方案是在每個(gè)MRAM單元都集成一個(gè)晶體管,使讀出時(shí)只有被選中的MRAM單元中的晶體管導通,其它未選中MRAM單元的晶體管總有截止的,因而不能形成電流回路。這樣可分別測得第4號MRAM單元存值為‘0’態(tài)和存值為‘1’態(tài)時(shí)的磁阻,并由此計算隧道磁阻改變率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)。 |
