未來MRAM存儲(chǔ)器將占主導(dǎo)地位并取代其它所有類型

MRAM是磁阻式隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（Magneto-resistiveRandom Access Memory ）的縮寫。MRAM是一種非揮發(fā)性電腦存儲(chǔ)器（ NVRAM ）技術(shù)，從20世紀(jì)90年代以來開始開發(fā)就已經(jīng)取得驚人的進(jìn)展。MRAM存儲(chǔ)器最終將成為占主導(dǎo)地位的并取代其它所有類型的存儲(chǔ)器，并成為一個(gè)真正的“通用存儲(chǔ)器”。實(shí)用型MRAM芯片主要利用隧道磁阻（TMR）效應(yīng)，之前的巨磁阻（ GMR）或更早以前的異性磁阻（AMR）都不具備實(shí)用性。

MRAM芯片的概念1972年就已經(jīng)提出，但直到1988年GMR和1995年TMR的發(fā)現(xiàn)，才使得MRAM具有了實(shí)用性的前景。

最簡單的MRAM存儲(chǔ)單元可以采用一個(gè)金屬三明治結(jié)構(gòu)，包括2個(gè)為一個(gè)非常薄的絕緣體分割開來的三層膜結(jié)構(gòu)（ TMR結(jié)構(gòu)）。底層的磁矩是固定的（“釘扎的”），稱為固定層﹐而頂層的N—s極走向是雙穩(wěn)態(tài)式的（可變的），被稱為自由層。頂層的磁矩方向可以在與底層相同和相反兩個(gè)狀態(tài)間切換。

由于有量子隧道效應(yīng)存在，這種三明治結(jié)構(gòu)中的薄絕緣層可以流過小的電流。如果電子穿越絕緣體勢壘時(shí)保持其自旋方向不變，即兩層磁性材料磁矩平行的話，材料呈現(xiàn)低電阻;如果兩層磁性材料磁矩反平行的話﹐材料呈現(xiàn)高電阻。這種通過控制2個(gè)疊放的磁性薄膜磁矩的平行和反平行來改變電阻的原理被稱為磁致電阻效應(yīng)（Magnetore-sistive）。

2塊極板間的間隙被稱為磁隧道結(jié)（M TJ）。因?yàn)榀B層中頂層具有2個(gè)相反的穩(wěn)定態(tài)（與底層平行或反平行），它可以儲(chǔ)存一個(gè)二進(jìn)制的量值。該單元的平行態(tài)（低電阻）往往指示0，它的反平行（高阻態(tài)）往往代表1。利用薄膜阻抗根據(jù)磁化方向是否一致而變化的特性，系統(tǒng)可以判別數(shù)據(jù)位為0或1。較早的MRAM采用GMR技術(shù)。

由于在GMR薄膜下О和1之間的阻抗變化非常小，所以在指示磁性方向?yàn)?或1時(shí)電壓變化也微不足道，而差異不大意味著在檢測電壓時(shí)更容易受到外界影響，因此在裝有GMR薄膜的MRAM上，會(huì)執(zhí)行兩次讀取程序，以保證數(shù)據(jù)的正確。由于GMR薄膜與MOSFET（場效應(yīng)管）串聯(lián)，這就要求兩者的阻抗必須匹配，而GMR薄膜的阻抗本來就很低，高阻抗的MOSFET使GMR薄膜的感應(yīng)很困難。要和MOSFET相匹配，則GMR薄膜必須要有較大的面積。這個(gè)條件給提高GMR芯片的集成度造成一定困難。

TMR是一種對GMR的更新技術(shù)，當(dāng)磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器在采用了TMR薄膜之后，上述問題迎刃而解﹐不但可以減小芯片體積，而且不需要進(jìn)行重復(fù)讀取提高了速度。

圖1 MRAM點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖

基于磁致電阻的MRAM位單元需要分布在相互垂直的雙層導(dǎo)線柵格上（圖1）。上層的導(dǎo)線叫位線，下層的導(dǎo)線叫字線。由于必須經(jīng)過該單元的頂板和底板﹐而不至于真正接觸到它們，位線和字線間的垂直距離需要略大于MRAM位單元本身的高度。MRAM位單元夾在兩層線之間﹐水平位置在每個(gè)交叉點(diǎn)上。為了讀出一位信息，電流將流過對應(yīng)的底部字線，沿著所選通的單元向上流出，邏輯電路則感應(yīng)出在所連接的頂部位線上的相應(yīng)電流。寫入是通過向恰當(dāng)?shù)淖志€通電，同時(shí)讓電流流過位線來實(shí)現(xiàn)的，電流或者形成對準(zhǔn)方向（寫入0），或者形成反對準(zhǔn)狀態(tài)（寫入1）。

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