找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

搜索
查看: 5116|回复: 2
打印 上一主题 下一主题
收起左侧

磁阻随机存取存储器MRAM简介

[复制链接]
跳转到指定楼层
楼主
ID:377899 发表于 2018-7-23 14:20 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
1. 简介 磁阻随机存取存储器MRAM(Magnetic Random Access Memory) 是一种非易失性(Non-Volatile)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。磁性自旋电子器件如今是一个快速发展的研发领域[1][2][3],其主要原理是通过控制电子的自旋性质来实现对其器件外部电气功能的控制。
首次成功通过控制磁矩来实现改变金属中电子流动的实验来自于1857年,对于各向异性磁阻效应(Anisotropic Magneto Resistive, AMR)的发现[4]。1988年,巨磁阻效应(Gaint Magneto Resistive, GMR)被发现[5]。接着在1991年,由Al2O3作为绝缘层的MTJ被提出[6]~[14]。
2. 工作原理
2.1 磁性隧道结器件
磁性隧道结器件(Magnetic Tunnel Junction, MTJ)被认为在将来的非易失性存储和可编程逻辑芯片领域最具前景的技术。它的结构如图1所示。最典型的MTJ结构有三个层次的工艺材料堆叠而成,其中位于上、下两层结构为磁性材料,常见为CoFeB等;中间Tunnel Barrier层为绝缘层,常见为MgO、Al2O3等。磁性材料层中的电子具有特性的自选方向,而上、下两层中的电子自旋方向或为相同、或为相反。中间绝缘层虽然不能导电,但其厚度极薄,典型尺寸为几纳米,因此上、下两个层次中的电子一定概率下会通过中间的绝缘层发生隧穿现象。根据上、下两层中电子自旋方向的相同或相反状态,电子发生隧穿现象的概率有所不同,对外则表现成两个不同的阻值:当上、下两层中电子自旋方向相同时,其中一个层次中的磁多子——即自旋方向相同的电子——隧穿至另一个层次并成为该层次的磁多子的概率就会相对较大,因此对外表现的阻值就较小,一般称之为RP (Resistance of Parallel);当上、下两层中电子自旋方向相反时,其中一个层次中的磁多子隧穿到另一个层次中就会成为磁少字,因此隧穿的概率就会相对小很多,对外表现的阻值就会较大,一般称之为RAP (Resistance of Anti-Parallel)。当电流流经MTJ时,电流可以被Reference Layer自旋极化,并运用自旋转矩来极化Free Layer,因此,MTJ可以被一个写电流来改变状态,这个性质被称为自旋转移力矩(Spin Transfer Torque)。
图1. 典型磁性隧道结器件结构
Reference LayerTunnel BarrierFree LayerAnodeCathod
2.2 磁阻随机存取存储器MRAM
MRAM阵列有两种结构形式:交叉点结构(XPT)以及1晶体管-1MTJ(1T1MTJ)结构,如图2及图3所示。。
图2.XPT结构 MRAM阵列及字线与位线
如图2所示,XPT结构中,基于MTJ的MRAM位单元分布在相互垂直的双层导线栅格上。上层的导线叫位线(BIt lince),下层的导线叫字线(Word line)。MTJ器件位于两层导线之间,水平位置的每一个交叉点上。为了读出一位信息,电流将流过对应的底部字线,沿着被选通的单元向上流出。逻辑电路则感应出缩在连接的顶部位线上相应的电流。写入是通过对对应的字线通电,同时让电流流过位线来实现的。
该结构具有很高的集成度。并且由于不需要与硅结构接触,因此该阵列也可以堆叠,从而进一步提高集成度与MRAM密度。然而,该结构的静态电流及功耗是一个问题。并且,单元中没有其他元器件可以帮助选通该单元,因此位线上其他单元的电流会干扰到备选通单元的读取。
图3. 1T1MTJ结构MRAM阵列单元
1T1MTJ结构如图3所示,每一个MTJ都连接一个n型晶体管(NMOS)。该晶体管的栅极为读字线(Read Word Line, RWL)。该晶体管用于读取操作中选通单元。写字线(Write Word Line, WWL)并不接触MTJ。RWL和WWL相互平行,且同位线垂直。位线同MTJ的自由层接触。NMOS管的源极接地,漏极通过一层薄互联层连接到MTJ的固定层。
由于晶体管的尺寸,以及需要为晶体管与MTJ之间互联层所留空间所限,1T1MTJ结构的密度要低于XPT结构。并且由于每个单元都要在下面连接到硅,所以该结构也难于堆叠。
然而该结构具有一些优势。在写操作中,所有RWL电压为低,从而消除了写操作中丢失写电流的可能性。并且,在读过程中,只有被选通的单元RWL被拉高。从而避免了位线上其他MTJ的电流干扰读操作。
1T1MTJ结构一般来说更被普遍接受。
2.3 MRAM研究进展
MRAM研究主要分两个方向:提高MTJ的GMR或TMR;以及研究MRAM新型结构。
2.3.1提高GMR或TMR
中国科学院物理研究所韩秀峰教授曾取得一系列成果[15][16][17]。2000年制备出室温磁电阻比为50%(4.2K下为70%)的CoFe/Al-O/CoFe结构,是当时国际上最高水平;2004年制备出4.2K下TMR高达20%的有机LB膜复合磁性隧道结;同年他们还制备出4.2K下TMR高达3000%~9050%的半金属复合磁性隧道结;2006年制备出室温磁电阻比为80%(4.2K下高于100%)目前最好水平的非晶金属Co60Fe20B20/Al-O/ Co60Fe20B20结构。
2.3.2 自由层材料
MRAM通常采用CoFe及CoFe/NiFe等作为自由层材料。2002年Sony公司采用了CoFeB的非结晶膜,是的磁阻比值大幅度增加[18]。2004年美国NVE公司和日本ANELVA公司在固定层和自由层上全部采用CoFeB,室温下磁阻率高达70%。
2.3.3 新型MRAM结构
FreescaleTM Semiconductor公司为解决传统三明治结构在交叉阵列中所面临的诸如“写裕量”等弊病,率先提出了“选档切换开关(Toggle-mode switching)型MRAM”[19]。该结构中,自由层和固定层并非单纯的贴瓷板,而是合成的反铁磁体三明治结构,由两个反向对准的铁磁材料以及两层材料之间所夹的一层非磁性材料耦合隔层而组成。该结构避免了磁场交叠而导致的可扩展性的问题。
参考文献 [1]. Chappert C, Fert A, Dau F N V. The Emergence of Spin Electronics in Data Storage[J]. Nature Materials, 2007, 6(11):813-23. [2]. Žutić I, Fabian J, Sarma S D. Spintronics: Fundamentals and applications[J]. Microelectronics Reliability, 2004, 30(2):323-410. [3]. Zhao W, Klein J O, Wang Z, et al. Spin-electronics based logic fabrics[C]// Ifip/ieee, International Conference on Very Large Scale Integration. IEEE, 2013:174-179. [4]. Thomson W. On the Electro-Dynamic Qualities of Metals:--Effects of Magnetization on the Electric Conductivity of Nickel and of Iron[J]. Proceedings of the Royal Society of London, 8:546-550. [5]. Baibich M N, Broto J M, Fert A, et al. Giant magnetoresistance of (001)Fe/(001)Cr magnetic superlattices.[J]. Physical Review Letters, 1988, 61(21):2472. [6]. Miyazaki T, Yaoi T, Ishio S. Large magnetoresistance effect in 82Ni-Fe/Al-Al 2 O 3 /Co magnetic tunneling junction[J]. Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 1991, 98(98):L7–L9. [7]. Plaskett T S, Freitas P P, Barradas N P, et al. Magnetoresistance and magnetic properties of NiFe/oxide/Co junctions prepared by magnetron sputtering[J]. Journal of Applied Physics, 1994, 76(10):6104-6106. [8]. Moodera J S, Kinder L R, Wong T M, et al. Large magnetoresistance at room temperature in ferromagnetic thin film tunnel junctions.[J]. Physical Review Letters, 1995, 74(16):3273. [9]. Moodera J S, Gallagher E F, Robinson K, et al. Optimum tunnel barrier in ferromagnetic–insulator–ferromagnetic tunneling structures[J]. Applied Physics Letters, 1997, 70(22):3050-3050. [10]. Sousa R C, Sun J J, Soares V, et al. Large tunneling magnetoresistance enhancement by thermal anneal[J]. Applied Physics Letters, 1998, 73(22):3288-3290. [11]. Kakazei G N, Freitas P P, Cardoso S, et al. Transport properties of discontinuous Co 80 Fe 20 /Al 2 O 3, multilayers, prepared by ion beam sputtering[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 1999, 35(5):2895-2897. [12]. Moodera J S, Mathon G. Spin polarized tunneling in ferromagnetic junctions[J]. Journal of Magnetism & Magnetic Materials, 1999, 200(1–3):248-273. [13]. Yu J H, Lee H M, Ando Y, et al. Electron transport properties in magnetic tunnel junctions with epitaxial NiFe (111) ferromagnetic bottom electrodes[J]. Applied Physics Letters, 2003, 82(26):4735-4737. [14]. Wang D, Nordman C, Daughton J M, et al. 70% TMR at room temperature for SDT sandwich junctions with CoFeB as free and reference Layers[J]. Magnetics IEEE Transactions on, 2004, 40(4):2269-2271. [15]. Han X F, Oogane M, Kubota H, et al. Fabrication of high-magnetoresistance tunnel junctions using Co75Fe25 ferromagnetic electrodes[J]. Applied Physics Letters, 2000, 77(2):283-285. [16]. Han X F, Wen Z C, Wei H X. Nanoring magnetic tunnel junction and its application in magnetic random access memory demo devices with spin-polarized current switching (invited)[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 103(7):3758. [17]. Wang Y, Han X F, Zhang X G. Effect of Co interlayers in Fe/MgO/Fe magnetic tunnel
junctions[J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(17):225. [18]. Durlam M, Naji P, Omair A, et al. A low power 1 Mbit MRAM based on 1T1MTJ bit cell integrated with copper interconnects[C]// VLSI Circuits Digest of Technical Papers, 2002. Symposium on. IEEE, 2002:158-161. [19]. Wang S, Fujiwara H, Dou J, et al. Dynamic Simulation of Toggle Mode MRAM Operating Field Margin[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2007, 43(6):2337-2339.

MRAM简介.pdf

458.03 KB, 下载次数: 14, 下载积分: 黑币 -5

分享到:  QQ好友和群QQ好友和群 QQ空间QQ空间 腾讯微博腾讯微博 腾讯朋友腾讯朋友
收藏收藏1 分享淘帖 顶1 踩
回复

使用道具 举报

沙发
ID:273087 发表于 2020-9-18 14:30 | 只看该作者
Everspin MRAM产品介绍.pdf (1.05 MB, 下载次数: 7)
回复

使用道具 举报

板凳
ID:881686 发表于 2021-1-30 16:36 | 只看该作者
写得非常好    用途很大
回复

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

手机版|小黑屋|51黑电子论坛 |51黑电子论坛6群 QQ 管理员QQ:125739409;技术交流QQ群281945664

Powered by 单片机教程网

快速回复 返回顶部 返回列表