目前主流的MRAM利用巨磁阻效應(yīng)( GMR）和磁性隧道結(jié)(MTJ)）的隧穿電阻效應(yīng)來進(jìn)行存儲。以MTJ為例,其元胞結(jié)構(gòu)包括自由層、隧道層和固定層3個(gè)層面（如圖1所示)。自由層的磁場極化方向是可以改變的,而固定層的磁場方向是固定不變的,在電場作用下電子會隧穿絕緣層勢壘而垂直穿過器件，電流可隧穿的程度及MTJ的電阻均由2個(gè)磁性層的相對磁化方向來確定3'。當(dāng)自由層的磁場方向與固定層的磁場方向相同時(shí),存儲單元呈現(xiàn)低阻態(tài)“0”;當(dāng)兩者磁場方向相反時(shí),存儲單元呈現(xiàn)高阻態(tài)“1”。MRAM器件通過檢測存儲單元電阻的高低來判斷所存儲的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”。
   
典型的存儲單元電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，一般是由1個(gè)NMOS管與MTJ單元集成在一起。NMOS管的柵極連接到存儲陣列的字線( word line,WL)﹐源（漏）極通過源極線( source line, SL)與MTJ的固定層相連;而連接到MTJ自由層上的連線為存儲陣列的位線( bit line, BL）。在位線和源極線之間施加不同的電壓,產(chǎn)生流過磁隧道結(jié)的寫入電流(Iwrite）﹐Iwrite可改變磁隧道結(jié)自由層的磁化方向，使隧穿電阻變化,完成“0”和“1”的存儲。MRAM電路的讀取機(jī)制是電流從位線流入，并通過MTJ和 MOS管輸出，電壓的大小同樣依賴于MTJ電阻的高低,相同讀取電流下所產(chǎn)生的輸出電壓不同。根據(jù)輸出電壓就可以判斷存儲單元所儲存的數(shù)據(jù)是“0”還是“1”。
1個(gè)MTJ和1個(gè)MOSFET（即1T1M）結(jié)構(gòu)構(gòu)成MRAM基本的存儲單元,眾多存儲單元又組成存儲陣列，一般的MRAM電路除存儲陣列之外還有相應(yīng)的外圍電路。如圖3所示的存儲器外圍電路主要包括靈敏放大器、譯碼電路、讀/寫控制電路等。與SRAM等存儲器類似,靈敏放大器主要用來對位線信號進(jìn)行放大。可見除了存儲陣列之外,外圍電路均可采用與傳統(tǒng)工藝兼容的CMOS電路進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。
   
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