MRAM：内存的新潮流(下)

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作者：Harlan McGhan时间：2007-03-01来源：电子产品世界收藏

Freescale所提供的MRAM替代性方案

在Freescale的器件中，自由的和固定的磁体层并不是单纯的铁磁板。相反，它们是合成的反铁磁体(synthetic antiferromagnet，SAF)三明治结构，由两个反向对准的铁磁材料层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。图2示出了一个SAF位单元。SAF三明治结构产生磁致电阻效应的能力并不会因为它的混合式结构而受到影响。对准和反对准只取决于MTJ结构两侧相对的两层材料。将两层板材组成SAF，就可以让每层板变成“磁矩平衡”—净外磁场为零。这避免了磁场交叠而导致的可扩展性的问题。

SAF对于附近的导线上流过的电流所产生的磁场所作出的响应迥异于简单的铁磁板三明治结构。其磁轴，总是试图与导线保持一定的角度回转。这就使得以步进方式切换自由的SAF场(而不是以莽力颠倒其朝向)提供了可能。这种步进旋档式切换不仅所需要的能量显著低于交叉点开关式的，而且可以完全取消前述的“半选中”单元出现连带写入这一难以解决的问题。图3示出了这种磁场切换控制技术。在这种方案中，“半选中”的单元仅旋转45度，而远远不会切换到相反的对准方式的状态上。正如所选中的单元在位线断电时会猛然回到最接近的稳态轴向上一样，“半选中”的单元在选中的线上所接通的电源被切断后会自然而然地快速切换到它们初始的朝向上。此外，由单根线所产生的力起到了提高”半选中”单元的开关势垒的作用，而不是削弱这种势垒，因为一个所施加的力可以防止SAF单元在选择序列中作丝毫进一步的旋转。

图3示出了T2到T3时钟周期所出现的效应。WL上的电流防止轴线作出丝毫的进一步的旋转(在通过周期T2中的“硬轴”线之后)，必须在此后得以降低(在T3周期)以便让旋档的运动继续下去。事实上，只要线通以电流，单元的轴向就会停滞在某一角度上而不会出现移动。增大这根线的电流，而不是设法让该单元失稳，只是使得它的轴向更为稳定地固定在指定的位置上。

旋档式切换的另一个显著的特征是，将一个1或0写入某个单元，对其行为特性并不会产生任何影响。无论单元采用两个对准方向中的哪一个，施加一串相同的写入脉冲序列将使之旋转180度到另一个对准方向。这一特性的优点在于消除了采用双向位线的必要性。不利之处就在于在对每一位存储进行写入前必须进行读出操作，以确定它目前的对准方向。如果需要切换方向的话，这一复杂性就会使写入周期变慢，但它避免了将旋档动作一分为二的必要。在一个交叉点阵列中，同样也没有必要用相同的量值来覆盖一个0或者1数据，但是，因为覆盖一个交叉点单元不会带来损害，因此在写入新的值之前无需确定单元内现有的值。相比之下，对处于0或者1状态的单元进行旋档式操作始终会写入相反的值。于是，旋档操作不能盲目进行——如果单元所储存的值与要写入的值一致，则根本就不会进行写入操作。

Freescale在MRAM方面的其他创新

旋档切换(由Motorola的Leonid Savtchenko发明)只是在Freescale的设计中，多项引人注意的创新中的一项而已。图4示出了Freescale单元的更为详细的原理图。请注意，铜质的字和位线包裹在一层铁磁材料中。构造虽然因此变得更为复杂，但这样的结构可以将写入脉冲所产生的磁场集中，减少让单元重新对准方向所需的电流大小。因为这种设计通过单个控制(或者“隔离”)晶体管将每个MRAM单元连接起来，而这些晶体管引导读取电流流过单元，故Freescale将它称为一个1T1MTJ位单元设计。

MRAM位单元的一个有趣的和极为重要的特性是它们完全可以制作在芯片的金属互连层中，在后端处理工艺中添加到芯片上去。图5就示出了Freescale的芯片的横截面，从中可以看出，位单元位于Metal 4(用作字或者数字线)和Metal 5(用作位线)这两层金属之间。

MRAM也可以采用多种其他的单元和芯片设计。Cypress Semiconductor于2005年1月提供样品的一种MRAM芯片，就将每个MTJ用两个晶体管耦合起来，其中一个用于控制对单元的读取，另一个用于控制对其的写入。这种设计也是通过消除了所有“半选中的”单元来避免了对交叉点的连带写入。Cypress的双晶体管设计的不足是单元尺寸更大，存储容量受到限制。