MRAM原理

MRAM简介MRAM（MagneticRandomAccessMemory）是指以磁电阻性质来存储数据的随机存储器，它采用磁化的方向不同所导致的磁电阻不同来记录0和1，只要外部磁场不改变，磁化的方向就不会变化。MRAM是一种非挥发性的磁性随机存储器。它拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入。MRAM的数据写入方式有两种：磁场写入模式与全电流写入模式。前者主要利用了字线与位线在MRAM记录单元上所产生的磁场,使MRAM的自由层在磁场的作用下实现与钉扎层平行与反平行方向的翻转，来完成/0/1数据的写入。后者利用了自旋转移矩效应（spintransfertorque，STT），使写入数据线直接通过MRAM记录单元，利用自旋转移矩效应实现核心隧道结(MTJ)自由层的翻转。全电流写入数据的方式有助于记录密度的提高和半导体线路集成工艺的简化,因而更受研发人员看好，目前很多公司都在研究此类MRAM。MRAM单元可以方便地嵌入到逻辑电路芯片中，只需在后端的金属化过程增加制作MTJ需要的光刻掩模版的工艺即可。另外，因为MRAM单元可以完全制作在芯片的金属层中，将2~3层单元叠放起来是可以实现的，这样就可以在逻辑电路上方构造规模极大的内存阵列。下图即为EVERSPIN公司生产的MRAM产品的截面图：图1MRAM芯片截面图MTJ工作方式：MTJ单元的结构有两种：第一种如下图所示，它由四层薄膜组成，各层的作用从上而下依次简述如下：图2MTJ结构一第一层自由层：存储信息的磁性薄膜，写入的磁场方向可与图中的箭头方向相同或相反。使用软铁磁材料，具有比较低的矫顽力，高磁导率，和对低磁场的高敏感性，如CoFe、NiFe、NiFeCo、CoFeB（使用较多）等。第二层隔离层：厚度仅有1-2nm的非磁性薄膜，如MgO或AL2O3等。第三层被钉扎层：是MRAM单元中磁场具有固定方向的薄膜。材料的选择应当与反铁磁层具有较强的交换偏置作用，从而使被顶扎层的磁矩能够被有效的被钉扎在固定的方向上。这类材料比较合适的有CoFe，CoFeB等第四层钉扎层：采用反铁磁材料，常用FeMn、IrMn、NiMn、MnPt、Fe2O3等。在这一结构中，钉扎层与被钉扎层之间有很强的交换耦合作用，因此被钉扎层的磁矩方向被钉扎在某一个方向而很难被改变。与此同时，被钉扎层和自由层之间由于隔离层的作用，处于退耦合状态，因此自由层的磁矩很容易在外加磁场的作用下发生改变。当外加磁场发生变化时，自由层与被钉扎层的相对磁矩方向便在平行与反平行这两种状态之间变化，当磁矩平行时，电阻最小，输出为“0”，当反平行时，输出为“1”。MTJ的第二种结构：此结构由固定层、非磁性隔离层和自由层组成。其中，固定层较厚，磁性较强，磁矩不容易反转，而自由层较薄，磁性较弱，磁矩容易反转。根据自由层和固定层之间磁矩平行和反平行的变化，输出“0”或“1”的状态。图4MTJ结构二由于此两种结构的被钉扎层和固定层的磁场方向都是固定的，为方便描述，下文中将被钉扎层和固定层统称为固定层。第一代MRAM介绍：（采用磁场写入模式）一个二维MRAM存储阵列如图1所示，MRAM器件是由相互正交的字线和位线组成栅格，由于上层的线和下层的线必须经过该单元的顶板和底板，而不至于真正接触到它们，因此这两层金属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。通过每条字线和每条位线的编码可对器件中某个特定的MRAM单元寻址并进行数据写入或读出的操作及程序运行。图1二维MRAM单元存储阵列图2是一个MRAM存储单元的示意图，由一个MOS管、一个磁隧道结（magnetictunneljunction，MTJ）和若干连接线组成。三极管起到选址作用，三极管的漏极连接MTJ的一端（如固定层），当栅极开启三极管时，源极、漏极、MTJ和位线组成回路。图2第一代MRAM（磁场写入式）MRAM工作原理：写入原理：位线和字线有电流流过时分别产生半选写信息磁场（即：位线、字线产生的磁场仅仅是自由层矫顽力的一半，单独的位线或字线都不能使存储单元中自由层的磁矩反转），且磁场相互正交。自由层的磁矩将会因受到来自位线和字线的半选写信息磁场的作用而发生反转，最终与固定层的磁矩呈平行或者反平行状态。自由层与固定层的磁矩平行或者反平行时，MTJ的电阻是不相同的。磁矩相互平行时电阻较小，显示为“0”，磁矩反平行时，电阻较大，显示为“1”。因此，MRAM的信息写入方式是通过电流产生磁场，进而使自由层磁矩发生反转，改变MTJ的电阻，实现信息写入。读出原理：MRAM的信息读取是检测存储单元的电阻。若存储单元被选通，恒定的小电流从位线经过MTJ到选通的MOS管漏极流过，在MTJ两端会产生电位差。根据电位差的大小，可得确定MTJ的电阻，从而知道自由层与固定层磁矩之间的相对取向关系，这种读出方法是非破坏性的。图5MRAM的读写示意图在数据写入时,MOS管断开,位线和数字线同时有电流流过,通过垂直的位线和数字线在每一个位上所产生的两个直交的磁场来进行数据的写入。在读出时,MOS管打开,电流从位线流入并通过MTJ和MOS管,电流脉冲的大小依赖于MTJ电阻的高低,因此位中存储的数据就由MTJ电阻的大小来确定。从MRAM的工作原理可知，它存在几个技术难点：（1）功耗大、写入信息速度较慢写入信息时需要较大的电流产生磁场使MTJ自由层磁矩发生反转。大电流变换速度较慢，限制了存储单元写入信息的速度，并且，随着存储单元的尺寸减小，使自由层磁矩反转的磁场越大，需要更大的电流产生磁场，这样消耗的功率也越大。（2）结构复杂、制造费用增加字线和位线带有磁性外壳（目的是集中磁场，减少写信息电流）使存储单元的结构更复杂，增加了制备工艺难度，且不易与CMOS进行集成，降低了性价比。（3）存储密度或存储容量受到限制这种写入机制需要三端电流设计,使得MRAM的结构十分复杂。在双电流选择写入单元时,为保证写入不影响到其他单元，MRAM设计记录单元的间距不能太小，否则会出现紧邻单元间的交叉影响（CROSS-TALK）问题,可能导致写信息错误，产生误码，这样这种写入方式就大大限制了MRAM记录密度的提高第二代MRAM（STT-MRAM采用全电流写入模式）一种有效的方案可以解决第一代MRAM技术难点。电流流过磁性层时，电流将被极化，形成自旋极化电流。自旋电子将自旋动量传递给自由层的磁矩，使自旋磁性层的磁矩获得自旋动量后改变方向，这个过程称为自旋转移力矩（spintransfertorque，STT），因此，STT-MRAM是通过自旋电流实现信息写入的。图5是STT-MRAM的存储单元结构示意图。STT-MRAM存储单元的核心仍然是一个MTJ，电流通过MJT。图5第二代MRAM（全电流写入式）STT可视为与巨磁阻相反的效应，显示的是电流流过多层膜结构后改变多层膜的磁化特性。电流通过较厚的固定层时，电子被自旋极化，其自旋方向为固定层的磁矩方向。如果中间非磁性隔离层的厚度足够的小，确保电子穿过隔离层之后还能保持最初的自旋极化方向。自旋极化电子能够将其自旋角动量转移给较薄的自由层，改变自由层的磁化平衡状态。扮演“极化层”角色的固定层一般较厚(几十个纳米)，其饱和磁化强度很大，它的平衡状态是不会发生变化的。相反，要受到自旋矩效应的自由层，一般很薄，其饱和磁化强度较小，因此，它的磁矩矢量能根据自旋电流中自旋电子的极化方向自由地变化取向。图6自由层磁矩翻转示意图写信息“0”：电流方向从自由层到固定层，自旋电子从固定层到自由层如上图（a）所示：自旋电子通过固定层时，自旋方向与固定层磁化方向一致的电子较容易通过，而自旋相反的电子被散射，这样经过固定层时，电流沿着固定层磁化方向被极化，电子的自旋磁矩与固定层平行，穿过隔离层到达自由层时，再一次被极化，电子的自旋方向趋向与和自由层的磁化方向一致，电子的自旋方向与自由层的磁化强度之差产生一个力矩（STT），如果自旋转移矩（STT）足够大，自由层的磁化方向就会改变，最后和固定层的磁化方向相同，实现了写入信息“0”。写信息“1”：电流方向从固定层到自由层，自旋电子从自由层到固定层如上图（b）所示：当电子由自由层流向固定层时，电子与固定层中的磁矩发生交换耦合作用，使自旋平行于固定层磁矩的电子通过，而自旋反平行于固定层磁矩的电子被反射，固定层起到“滤波器”的作用，形成自旋电流。由于固定层较厚，磁性较强，反射电子自旋磁矩不足以使固定层中的磁矩反转。通过固定层的自旋电子越过极薄的非磁性隔离层，并与自由层磁矩发生交换耦合作用，使自由层的磁矩向着固定层磁矩方向的反方向转动。最终两铁磁层磁矩呈反平行状态，MTJ的电阻较大，STT-MRAM完成写入信息“1”。STT-MRAM通过固定层使电流极化，形成自旋电流，自旋电流中的自旋电子将自旋矩传递给自由层的磁矩，使其依据自旋电流的方向而发生转动，实现写入信息“0”或“1”。铁磁层磁矩的变化只是在极化电流大于开关电流时才发生，开关电流的大小在106-107A/cm2之间。STT效应为MRAM提供了全新的写入方式，即信息写入时两铁磁层磁矩的相对方向由通过存储单元的电流方向决定，而不是由电流产生的磁场方向决定，其极化电流所产生的力矩的大小只和电流密度成正比。STT-MRAM读取信息的方法与MRAM一样，恒定的小电流从位线经过MTJ到选通的MOS管漏极流过，通过检测存储单元的电阻读出其存储的信息的。STT-MRAM存储单元阵列通过选通栅极线和位线实现寻址，通过位线电流实现信息的读写，其特点如下：（1）结构简单和制备工艺费用小STT-MRAM省略了字线，其结构简单，工艺费用少；使得存储密度提高、存储容量增大，并可封装成即插即用式和嵌入式。（2）存储密度高省略了字线，存储单元的横截面积可更小，存储密度高、存储速度快，满足高性能计算机系统的设计要求。（3）写信息的功率损耗小、速度快通过位线的电流密度更高，便于自旋矩传输；电流减小，可以有较高的电流正负极性变换速度。（4）无交叉影响由于全电流写入模式不涉及磁场的作用,所以可以对MRAM单元进行定位操作,而不影响相邻记录单元的磁化方向,从而有效解决交叉影响(cross一talk”)问题。