磁阻式随机存取存储器MRAM的概念

宇芯电子

MRAM是磁阻式随机存取存储器(Magneto-resistiveRandom Access Memory )的缩写。MRAM是一种非挥发性电脑存储器( NVRAM )技术，从20世纪90年代以来开始开发就已经取得惊人的进展。MRAM存储器最终将成为占主导地位的并取代其它所有类型的存储器，并成为一个真正的“通用存储器”。实用型MRAM芯片主要利用隧道磁阻（TMR)效应，之前的巨磁阻( GMR)或更早以前的异性磁阻(AMR)都不具备实用性。

MRAM芯片的概念1972年就已经提出，但直到1988年GMR和1995年TMR的发现，才使得MRAM具有了实用性的前景。

最简单的MRAM存储单元可以采用一个金属三明治结构，包括2个为一个非常薄的绝缘体分割开来的三层膜结构（ TMR结构)。底层的磁矩是固定的（“钉扎的”)，称为固定层﹐而顶层的N—s极走向是双稳态式的(可变的)，被称为自由层。顶层的磁矩方向可以在与底层相同和相反两个状态间切换。

由于有量子隧道效应存在，这种三明治结构中的薄绝缘层可以流过小的电流。如果电子穿越绝缘体势垒时保持其自旋方向不变，即两层磁性材料磁矩平行的话，材料呈现低电阻;如果两层磁性材料磁矩反平行的话﹐材料呈现高电阻。这种通过控制2个叠放的磁性薄膜磁矩的平行和反平行来改变电阻的原理被称为磁致电阻效应(Magnetore-sistive)。2块极板间的间隙被称为磁隧道结(M TJ)。因为叠层中顶层具有2个相反的稳定态(与底层平行或反平行)，它可以储存一个二进制的量值。该单元的平行态（低电阻）往往指示0，它的反平行（高阻态)往往代表1。利用薄膜阻抗根据磁化方向是否一致而变化的特性，系统可以判别数据位为0或1。较早的MRAM采用GMR技术。由于在GMR薄膜下О和1之间的阻抗变化非常小，所以在指示磁性方向为0或1时电压变化也微不足道，而差异不大意味着在检测电压时更容易受到外界影响，因此在装有GMR薄膜的MRAM上，会执行两次读取程序，以保证数据的正确。由于GMR薄膜与MOSFET(场效应管）串联，这就要求两者的阻抗必须匹配，而GMR薄膜的阻抗本来就很低，高阻抗的MOSFET使GMR薄膜的感应很困难。要和MOSFET相匹配，则GMR薄膜必须要有较大的面积。这个条件给提高GMR芯片的集成度造成一定困难。

TMR是一种对GMR的更新技术，当磁性随机存储器在采用了TMR薄膜之后，上述问题迎刃而解﹐不但可以减小芯片体积，而且不需要进行重复读取提高了速度。

图1 MRAM点阵结构图

基于磁致电阻的MRAM位单元需要分布在相互垂直的双层导线栅格上(图1)。上层的导线叫位线，下层的导线叫字线。由于必须经过该单元的顶板和底板﹐而不至于真正接触到它们，位线和字线间的垂直距离需要略大于MRAM位单元本身的高度。MRAM位单元夹在两层线之间﹐水平位置在每个交叉点上。为了读出一位信息，电流将流过对应的底部字线，沿着所选通的单元向上流出，逻辑电路则感应出在所连接的顶部位线上的相应电流。写入是通过向恰当的字线通电，同时让电流流过位线来实现的，电流或者形成对准方向(写入0)，或者形成反对准状态(写入1)。

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MRAM是磁阻式随机存取存储器(Magneto-resistiveRandom Access Memory )的缩写。MRAM是一种非挥发性电脑存储器( NVRAM )技术，从20世纪90年代以来开始开发就已经取得惊人的进展。MRAM存储器最终将成为占主导地位的并取代其它所有类型的存储器，并成为一个真正的“通用存储器”。

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实用型MRAM芯片主要利用隧道磁阻（TMR)效应，之前的巨磁阻( GMR)或更早以前的异性磁阻(AMR)都不具备实用性。

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基于磁致电阻的MRAM位单元需要分布在相互垂直的双层导线栅格上。上层的导线叫位线，下层的导线叫字线。