存儲(chǔ)位的置“0”狀態(tài)或置“1”狀態(tài)正是由自由層的極性來(lái)確定的。自由層極性和固定層極性一致時(shí)(指向相同方向)，穿越MTJ棧層的阻抗很低(請(qǐng)參閱圖1)。自由層極性和固定層極性180度相反時(shí)(指向相反方向)，穿越MTJ棧層的阻抗就很高(請(qǐng)參閱圖2)。由MTJ堆棧中的低阻抗和高阻抗來(lái)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(gè)方向中的一個(gè)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(lái)確定。穿越垂直的內(nèi)連接層的電流產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)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(shí)現(xiàn)MRAM可靠存儲(chǔ)的一個(gè)主要障礙是高位干擾率。對(duì)目標(biāo)位進(jìn)行編程時(shí)，非目標(biāo)位中的自由層會(huì)被誤編程。目前飛思卡爾半導(dǎo)體研究人員已經(jīng)成功解決了此問(wèn)題，其方法是，在每次出現(xiàn)位狀態(tài)空翻時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)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(huì)干擾相同行或列的其它位元。

 

要進(jìn)一步隔離非目標(biāo)位，使其不受干擾，飛思卡爾半導(dǎo)體使用鍍層包裹內(nèi)部銅連線的三個(gè)側(cè)面。此鍍層將磁場(chǎng)強(qiáng)度引向并集中到目標(biāo)位元。這使得目標(biāo)位可以使用低得多的電流進(jìn)行編程，并隔離磁場(chǎng)周邊的通常會(huì)遭到干擾的位元。

大批量生產(chǎn)MRAM設(shè)備的另一個(gè)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(huì)導(dǎo)致位元電阻的很大不同。飛思卡爾半導(dǎo)體也解決了這一問(wèn)題，因此實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)晶圓表面上以及整個(gè)批量上，都能產(chǎn)生一致的隧道結(jié)。

飛思卡爾半導(dǎo)體還通過(guò)增加兩個(gè)附加層來(lái)改進(jìn)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(huì)引起很強(qiáng)的耦合。該強(qiáng)耦合使固定層的極性保持鎖定，因此不會(huì)在編程操作過(guò)程中引起誤反轉(zhuǎn)(圖4)。

 

                                                            
                                                                        圖4:牽制層通過(guò)強(qiáng)磁場(chǎng)耦合來(lái)鎖定非目標(biāo)位的極性以免被誤編程



本文關(guān)鍵詞：MRAM

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