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(jié)(1T1MTJ)的位元。磁隧結(jié)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(zhì)層組成。每個磁性層都有一個磁性極與之相關(guān)聯(lián)。頂部磁性層被稱為自由層，因為它能夠自由地轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)——低阻
圖2:MTJ反極性結(jié)構(gòu)——高阻
編程操作中，自由層的極性跳轉(zhuǎn)至兩個方向中的一個方向。具體極性根據(jù)銅內(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)(如圖3所示)。
圖3:1T1MTJ的位元結(jié)構(gòu)
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(zhuǎn)到同一方向。寫入線1和寫入線2上的反轉(zhuǎn)脈沖電流使極性旋轉(zhuǎn)，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(nèi)部銅連線的三個側(cè)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(shè)備的另一個難題是由于極薄的AlOx隧道結(jié)。AlOx結(jié)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(jié)。
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(zhuǎn)(圖4)。
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