MRAM即磁阻式隨機(jī)訪問(wèn)存儲(chǔ)器的簡(jiǎn)稱(chēng)。經(jīng)過(guò)10多年不間斷的研發(fā)，全球第一款正式量產(chǎn)并供貨的MRAM芯片型號(hào)為MR2A16A，它采用44腳的TSOP封裝，容量為4M比特。它采用一個(gè)3.3V的單電源供電，可以以高達(dá)28.5MHz的頻率進(jìn)行讀/寫(xiě)操作。

 

在當(dāng)今的電子設(shè)備中有各種各樣的存儲(chǔ)器件，包括SRAM、DRAM、閃存以及硬盤(pán)等。不同的存儲(chǔ)器件有不同的特性，它們?cè)谑褂脡勖?、讀寫(xiě)速度、存儲(chǔ)容量/密度以及使用方式和價(jià)格等各方面都存在很大的差異，是無(wú)法互相替代的。所以在一個(gè)設(shè)備中經(jīng)常有多種存儲(chǔ)器件存在。目前還沒(méi)有一種存儲(chǔ)技術(shù)能取代所有這些存儲(chǔ)器件，成為一種通用的存儲(chǔ)器。但MRAM的出現(xiàn)改變了這種狀況，MRAM集成了sram的高速讀寫(xiě)性能與閃存存儲(chǔ)器的非易失性，它可以作為一個(gè)單一的存儲(chǔ)器件，用于既需要快速且大量存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，又需要斷電后保持?jǐn)?shù)據(jù)，并可快速恢復(fù)的系統(tǒng)中。

 

 

圖1.MRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)

 

MRAM之所以具有這樣的性能，是由于與傳統(tǒng)的RAM不同，它是靠磁場(chǎng)極化的形式，而不是靠電荷的形式來(lái)保存數(shù)據(jù)的。MRAM的存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由三個(gè)層面構(gòu)成，最上面的成為自由層，中間的是隧道柵層，下面的是固定層。自由層的磁場(chǎng)極化方向是可以改變的，而固定層的磁場(chǎng)方向固定不變。當(dāng)自由層與固定層的磁場(chǎng)方向平行時(shí)，存儲(chǔ)單元呈現(xiàn)低電阻;當(dāng)磁場(chǎng)方向相反時(shí)，呈現(xiàn)高電阻。MRAM通過(guò)檢測(cè)存儲(chǔ)單元電阻的高低，來(lái)判斷所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是0還是1。

 

圖2更加清楚地展示了MRAM存儲(chǔ)單元的結(jié)構(gòu)和讀寫(xiě)方法。圖中下方左側(cè)是一個(gè)晶體管，當(dāng)它導(dǎo)通時(shí)，電流可流過(guò)存儲(chǔ)單元MTJ(磁性隧道結(jié))，通過(guò)與參考值進(jìn)行比較，判斷存儲(chǔ)單元阻值的高低，從而讀出所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。當(dāng)晶體管關(guān)斷時(shí)，電流可流過(guò)編程線1和編程線2(圖中WriteLine和WriteLine2)，在它們所產(chǎn)生的編程磁場(chǎng)的共同作用下，使自由層的磁場(chǎng)方向發(fā)生改變，從而完成編程的操作。

 

 

圖2.MRAM的存儲(chǔ)單元結(jié)構(gòu)即讀/寫(xiě)模式

 

實(shí)現(xiàn)MRAM可靠存儲(chǔ)的一個(gè)主要障礙是較高的位干擾率。對(duì)目標(biāo)存儲(chǔ)單元進(jìn)行編程時(shí)，非目標(biāo)單元中的自由層可能會(huì)被誤編程。目前Everspin研究人員已經(jīng)成功解決了此問(wèn)題。寫(xiě)入線1和寫(xiě)入線2上的脈沖電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，只有它們共同作用的單元才會(huì)發(fā)生磁化極性的改變，從而不會(huì)干擾相同行或列的其它位單元。

 

要進(jìn)一步隔離非目標(biāo)單元，使其不受干擾，Everspin還使用鍍層包裹內(nèi)部銅線的三個(gè)側(cè)面。此鍍層將磁場(chǎng)強(qiáng)度引向并集中到目標(biāo)單元。這使得可以使用低得多的電流進(jìn)行編程，并隔離磁場(chǎng)周邊的通常會(huì)遭到干擾的單元。

 

大批量生產(chǎn)Everspin MRAM設(shè)備的另一個(gè)難題是由于極薄的A10x隧道結(jié)。A10x結(jié)厚度上的微小變化都會(huì)導(dǎo)致位單元電阻的很大改變。Everspin也解決了這一問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)晶圓表面上以及整個(gè)批量上，都能產(chǎn)生一致的隧道結(jié)。

 

Everspin還通過(guò)增加兩個(gè)附加層來(lái)改進(jìn)固定磁性層。在固定層下面增加了一層釘(Ru)。在Ru層下面又增加了另一個(gè)稱(chēng)為牽制層(pinninglayer)的磁性層。固定層和牽制層的極性相反，將會(huì)引起很強(qiáng)的耦合，使固定層的極性保持鎖定，因此不會(huì)在編程操作過(guò)程中引起誤反轉(zhuǎn)。

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