MRAM工作原理分析

英尚微电子

目前主流的MRAM利用巨磁阻效应( GMR）和磁性隧道结(MTJ)）的隧穿电阻效应来进行存储。以MTJ为例,其元胞结构包括自由层、隧道层和固定层3个层面（如图1所示)。自由层的磁场极化方向是可以改变的,而固定层的磁场方向是固定不变的,在电场作用下电子会隧穿绝缘层势垒而垂直穿过器件，电流可隧穿的程度及MTJ的电阻均由2个磁性层的相对磁化方向来确定3'。当自由层的磁场方向与固定层的磁场方向相同时,存储单元呈现低阻态“0”;当两者磁场方向相反时,存储单元呈现高阻态“1”。MRAM器件通过检测存储单元电阻的高低来判断所存储的数据是“0”还是“1”。
# p7 ?- m. _! a% d

! K) }. n. f# R- A0 s! ^) }0 c/ C$ P
图1MTJ结构示意图

典型的存储单元电路结构如图2所示，一般是由1个NMOS管与MTJ单元集成在一起。NMOS管的栅极连接到存储阵列的字线( word line,WL)﹐源（漏）极通过源极线( source line, SL)与MTJ的固定层相连;而连接到MTJ自由层上的连线为存储阵列的位线( bit line, BL）。在位线和源极线之间施加不同的电压,产生流过磁隧道结的写入电流(Iwrite）﹐Iwrite可改变磁隧道结自由层的磁化方向，使隧穿电阻变化,完成“0”和“1”的存储。MRAM电路的读取机制是电流从位线流入，并通过MTJ和 MOS管输出，电压的大小同样依赖于MTJ电阻的高低,相同读取电流下所产生的输出电压不同。根据输出电压就可以判断存储单元所储存的数据是“0”还是“1”。
/ X0 j. N! Q1 \2 p4 ^

8 v% q/ G, b( w* w/ Y
图2 MRAM工作原理示意图
3 r7 W$ M7 S& J4 |0 H

1个MTJ和1个MOSFET（即1T1M）结构构成MRAM基本的存储单元,众多存储单元又组成存储阵列，一般的MRAM电路除存储阵列之外还有相应的外围电路。如图3所示的存储器外围电路主要包括灵敏放大器、译码电路、读/写控制电路等。与SRAM等存储器类似,灵敏放大器主要用来对位线信号进行放大。可见除了存储阵列之外,外围电路均可采用与传统工艺兼容的CMOS电路进行设计制造。

& }! f0 N3 l9 k2 L- R0 |8 ~
7 Z1 J+ v- C7 m% r0 M% F; u图3典型存储单元结构示意图

Everspin Technologies，Inc是设计制造MRAMSTT-MRAM的翘楚，其市场和应用领域涉及数据持久性和完整性以及低延迟和安全性至关重要。Everspin MRAM被广泛应用在数据中心，云存储和能源，工业和汽车及运输市场等领域。Everspin总代理英尚微电子支持提供驱动和例程以及产品应用解决方案等。
4 j6 x( s: L! B: G" j

Uifhjvv

主流的MRAM利用巨磁阻效应( GMR）和磁性隧道结(MTJ)）的隧穿电阻效应来进行存储