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MRAM位元操作詳解

2017-09-14 14:19:22

MR2A16A配有包含一個晶體管和一個磁隧結(1T1MTJ)的位元。磁隧結或MTJ位于MRAM位元的中心。它由放置在兩個磁性層之間的非常薄的氧化鋁(AlOx)電介質層組成。每個磁性層都有一個磁性極與之相關聯(lián)。頂部磁性層被稱為自由層,因為它能夠自由地轉換極性。底部磁性層被稱為固定層,因為極性固定且不能改變。
 
存儲位的置“0”狀態(tài)或置“1”狀態(tài)正是由自由層的極性來確定的。自由層極性和固定層極性一致時(指向相同方向),穿越MTJ棧層的阻抗很低(請參閱圖1)。自由層極性和固定層極性180度相反時(指向相反方向),穿越MTJ棧層的阻抗就很高(請參閱圖2)。由MTJ堆棧中的低阻抗和高阻抗來確定是否將位元讀為“0”或“1”。

                                                        
                                                                       圖1:MTJ同極性結構——低阻

                                                       
                                                                      圖2:MTJ反極性結構——高阻

編程操作中,自由層的極性跳轉至兩個方向中的一個方向。具體極性根據(jù)銅內連接在MTJ的頂部和底部上的垂直方向來確定。穿越垂直的內連接層的電流產(chǎn)生一個磁場,該磁場將自由層的極性按相反方向翻轉(如圖3所示)。

                                                     
                                                                                     圖3:1T1MTJ的位元結構

實現(xiàn)MRAM可靠存儲的一個主要障礙是高位干擾率。對目標位進行編程時,非目標位中的自由層會被誤編程。目前飛思卡爾半導體研究人員已經(jīng)成功解決了此問題,其方法是,在每次出現(xiàn)位狀態(tài)空翻時,產(chǎn)生一個跳變位,它將磁矩的方向旋轉到同一方向。寫入線1和寫入線2上的反轉脈沖電流使極性旋轉,從而不會干擾相同行或列的其它位元。
 
要進一步隔離非目標位,使其不受干擾,飛思卡爾半導體使用鍍層包裹內部銅連線的三個側面。此鍍層將磁場強度引向并集中到目標位元。這使得目標位可以使用低得多的電流進行編程,并隔離磁場周邊的通常會遭到干擾的位元。
大批量生產(chǎn)MRAM設備的另一個難題是由于極薄的AlOx隧道結。AlOx結厚度上得很小變化都會導致位元電阻的很大不同。飛思卡爾半導體也解決了這一問題,因此實現(xiàn)了在整個晶圓表面上以及整個批量上,都能產(chǎn)生一致的隧道結。
飛思卡爾半導體還通過增加兩個附加層來改進固定磁性層。在固定層下面增加了一層釕(Ru)。而在Ru層下面又增加了另一層稱為牽制層(pinning layer)的磁性層。固定層和牽制層的極性相反,將會引起很強的耦合。該強耦合使固定層的極性保持鎖定,因此不會在編程操作過程中引起誤反轉(圖4)。
 

                                                            
                                                                        圖4:牽制層通過強磁場耦合來鎖定非目標位的極性以免被誤編程



本文關鍵詞:MRAM

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