当前存储器和新兴非易失性存储器技术的特点

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良好的设计是成功制造非易失性存储器产品的重要关键,包括测试和验证设备性能以及在制造后一次在晶圆和设备级别进行质量控制测试。新兴的非易失性存储器技术的制造和测试,这些技术将支持物联网,人工智能以及先进的网络开发和商业化,但首先让我们看一下当前存储器和新兴的非易失性存储器技术的特点,并了解为什么MRAM能够立足出来。

非易失性存储器技术的比较下表1比较了各种新兴的非存储器技术与已建立的存储器(SRAM,DRAM,NOR和NAND闪存)1的一些重要特性。

罗姆 ROHM 存储器

相变存储器,例如英特尔的光电存储器,比动态随机存取存储器小(因此密度更大),虽然没有三维与非闪存那么大,但其性能介于动态随机存取存储器和与非闪存之间。这就是为什么Optane在NVMe固态硬盘和计算机内存总线的内存中销售,以提供比NAND闪存更高性能的存储层,或者在计算应用中增加DRAM内存。

铁电随机存取存储器(FRAM)和电阻随机存取存储器(RRAM),就像独立的MRAM一样,多年来一直被用于特殊领域。FRAM的独立存储器一直是低密度产品,但最近关于使用氧化铪的特殊相作为铁电存储器的发现给了这项技术更广泛应用的希望。电阻存储器(包含许多不同的电阻技术)有望继续扩展到非常小的存储器尺寸,并可用于嵌入式存储器应用。然而嵌入式和独立非易失性新兴存储器最有希望的可能是MRAM。

MRAM是一种非易失性的磁性随机存储器。它拥有SRAM的高速读取写入能力,以及DRAM的高集成度,基本上可以无限次地重复写入。专注于代理销售MRAM芯片等存储芯片供应商英尚微电子详细介绍关于MRAM的存储原理。MRAM单元的结构和目前硬盘驱动器中GMR读取头的自旋阀膜系结构相似,自旋阀的工作机理如下。

1、自旋阀
电子作为电流的载体,用的是电子的电荷,也就是说电流是电子电荷的输运。但电子不仅有电荷,而且有自旋,自旋阀就是利用电子自旋(而非电荷)作为数字信息的载体,即用自旋向上或自旋向下来表征二进制的‘0’或‘1’,并利用TMJ的量子隧道势垒对不同自旋方向的电子实现选择性通过,在这种情况下信息传输靠的是电子自旋的输运,简称自旋输运(Spin Transfer)。

2、信息的写入
为了有选择地将信息写入二维MRAM存储阵列的各存储单元,使用由位线和字线电流在MRAM单元自由层产生的合成磁场来实现。在运行时,利用编码排序使二维MRAM阵列中只有一条字线和一条位线通过电流(如图1),因而只有一个MRAM单元被选中,这时可以有两种写人状态:

(1) 电流在MRAM单元自由层内的合成磁场方向与钉扎层内的磁场方向相同

电子在自由层磁场的作用下,自旋被极化为‘向上'或‘向下’的取向。由于隧道势垒的作用,不同自旋方向的电子通过隧道结的几率不一样,如果自旋‘向上'的电子通过隧道结的几率较大,则自旋‘向下’的电子通过隧道结的几率就很小,可忽略不计。所以隧道结起到‘自旋阀’的作用。在自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的情况下,MRAM单元表现为低阻状态,对应的写入态记作‘0’。见图1。

罗姆 ROHM 存储器

  图1位线和字线在自由层中形成的合成磁场
图1示出位线和字线在自由层中形成的合成磁场,为方便计,图中只给出MRAM单元的自由层。当位线和字线电流的磁力线分别如图中所示时,自由层中形成的合成磁场方向向右,也就是自由层材料中的磁畴取向向右。此时MRAM单元表现为低阻状态,对应的写入态记作‘0',如图1右侧的小块所示。

(2)位线电流反向(图2),使MRAM单元自由层内的磁畴取向和钉扎层内的磁场方向相反(图3)

罗姆 ROHM 存储器

图2位线电流反向

罗姆 ROHM 存储器

图3 MRAM单元的写‘1’态
在此情况下,自旋‘向上’电子通过隧道结进入钉扎层的几率很小,MRAM单元表现为高阻状态,对应的写入态记作‘1',如图1左侧的小块所示。

3、信息的读出
信息读出时,只有当一条位线和一条字线的电流选中了如上述的已写单元时,才能从它的磁阻大小判断已存入的信息是‘0’还是‘1'。读出原理看来简单,实际情况却相当复杂,说明如下。

图4给出由4个MRAM单元组成的删格,在一条位线和一条字线加上电压后,由图可见被选中的是4号MRAM单元,这时电流从‘+V’电极流至‘-V’电极可以有两条通道。

罗姆 ROHM 存储器

图4信息读出时电流的正常通道(白色箭头)和潜行路线(黑色箭头)

(1)电流可以通过图4中白色箭头所示的路线从‘+-V’电极流经4号MRAM单元到‘-V’电极,从而测出第4号MRAM单元的磁阻。   
(2) 电流也可以通过图6中黑色箭头所示的潜行路线,从‘+V’电极先后经过第1、2、3号MRAM单元最后到达'-V’电极,因此测出的磁阻不仅仅是第4号MRAM单元的磁阻,而是迭加了其它单元磁阻后的结果。这就导致读出错误。

对于大规模集成的mram芯片,情况则更复杂。解决此读出难题的最佳方案是在每个MRAM单元都集成一个晶体管,使读出时只有被选中的MRAM单元中的晶体管导通,其它未选中MRAM单元的晶体管总有截止的,因而不能形成电流回路。这样可分别测得第4号MRAM单元存值为‘0’态和存值为‘1’态时的磁阻,并由此计算隧道磁阻改变率(TMR—Tunneling Magneto-resistive Ratio)。

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