MRAM位元操作详解

 

存储位的置“0”状态或置“1”状态正是由自由层的极性来确定的。自由层极性和固定层极性一致时(指向相同方向)，穿越MTJ栈层的阻抗很低(请参阅图1)。自由层极性和固定层极性180度相反时(指向相反方向)，穿越MTJ栈层的阻抗就很高(请参阅图2)。由MTJ堆栈中的低阻抗和高阻抗来确定是否将位元读为“0”或“1”。

                                                        

                                                                       图1:MTJ同极性结构——低阻

                                                       
                                                                      图2:MTJ反极性结构——高阻

编程操作中，自由层的极性跳转至两个方向中的一个方向。具体极性根据铜内连接在MTJ的顶部和底部上的垂直方向来确定。穿越垂直的内连接层的电流产生一个磁场，该磁场将自由层的极性按相反方向翻转(如图3所示)。

                                                     
                                                                                     图3:1T1MTJ的位元结构

实现MRAM可靠存储的一个主要障碍是高位干扰率。对目标位进行编程时，非目标位中的自由层会被误编程。目前飞思卡尔半导体研究人员已经成功解决了此问题，其方法是，在每次出现位状态空翻时，产生一个跳变位，它将磁矩的方向旋转到同一方向。写入线1和写入线2上的反转脉冲电流使极性旋转，从而不会干扰相同行或列的其它位元。

 

要进一步隔离非目标位，使其不受干扰，飞思卡尔半导体使用镀层包裹内部铜连线的三个侧面。此镀层将磁场强度引向并集中到目标位元。这使得目标位可以使用低得多的电流进行编程，并隔离磁场周边的通常会遭到干扰的位元。

大批量生产MRAM设备的另一个难题是由于极薄的AlOx隧道结。AlOx结厚度上得很小变化都会导致位元电阻的很大不同。飞思卡尔半导体也解决了这一问题，因此实现了在整个晶圆表面上以及整个批量上，都能产生一致的隧道结。

飞思卡尔半导体还通过增加两个附加层来改进固定磁性层。在固定层下面增加了一层钌(Ru)。而在Ru层下面又增加了另一层称为牵制层(pinning layer)的磁性层。固定层和牵制层的极性相反，将会引起很强的耦合。该强耦合使固定层的极性保持锁定，因此不会在编程操作过程中引起误反转(图4)。

 

                                                            
                                                                        图4:牵制层通过强磁场耦合来锁定非目标位的极性以免被误编程



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