非易失性存储器MRAM与FRAM的比较

英尚微电子 · 发表于 2020-8-18 14:44:56

“永久性存储器”通常是指驻留在存储器总线上的高性能，可字节寻址的非易失性存储设备。MRAM（磁性只读存储器）和FRAM（铁电RAM）都具有相似的性能优势：低电压运行，长寿命和极高的速度。它们以不同的方式实现这些目标，尽管在每种情况下，创新的材料技术都是性能突破的背后。由摩托罗拉和IBM率先开发的MRAM，通过将某些奇异材料暴露在磁场中而产生的数据位，随着存储单元中电阻变化而存储。FRAM由总部位于美国科罗拉多州科罗拉多斯普林斯的Ramtron开发，并已获得富士通，日立，德州仪器和东芝的许可，与MRAM显着不同：它在铁电材料中将位存储为固定电位（电压）。

MRAM

MRAM或磁性随机存取存储器使用具有铁磁性材料的磁性“状态”的1晶体管–1磁性隧道结（1T-1MTJ）体系结构作为数据存储元素。由于MRAM使用磁性状态进行存储（而不是随时间推移而“泄漏”的电荷），因此MRAM提供了相当长的数据保留时间（+20年）和无限的耐用性。切换磁极化（写入周期）是在电磁隧道结（MTJ）上方和下方的导线中产生脉冲电流的结果（见图1）。电流脉冲产生的相关H场改变了铁磁材料自由层的极化，这种磁开关不需要原子或电子的位移，这意味着没有与MRAM相关的磨损机制。自由层相对于固定层的磁矩改变了MTJ的阻抗（见图2）。阻抗的这种变化表示数据的状态（“1”或“0”）。通过测量MTJ的阻抗来实现传感（读取周期）（图3）。MRAM器件中的读取周期是非破坏性的，并且相对较快（35ns）。读取操作是通过在MTJ两端施加非常低的电压来完成的，从而在部件寿命内支持无限的操作。

图1：磁性隧道结（MTJ）

图2：MRAM磁隧道结（MTJ）存储元件

图3：MRAM的读写周期

FRAM

FRAM或铁电随机存取存储器使用1个晶体管–1个铁电电容器（1T-1FC）架构，该架构采用铁电材料作为存储设备。这些材料的固有电偶极子在外部电场的作用下转换为相反的极性。切换铁电极化状态需要偶极子（位于氧八面体中的Ti4+离子）（响应于电场）（在Pb（Zr，Ti）O3的情况下）运动（图4）。自由电荷或其他随时间和温度而累积的离子缺陷，这些缺陷会使偶极子随时间松弛，从而导致疲劳。

图4：FRAM原子结构图5：FRAM数据状态