磁性随机存取内存(MRAM)技术结构剖析

MRAM迈向商业应用

　　在新一代内存技术开发竞赛中，飞思卡尔半导体(Freescale，原摩托罗拉半导体分部，后分拆独立)已实现了磁性随机存取内存(MRAM)的商业化。该公司在今年中发布了8年来的研究成果:4MB MR2A16A组件;其MRAM内存技术使用磁矩来保存位状态，符合商业应用需求。由于MR2A16A拥有多种独特功能，预计将在新兴内存应用市场中创造更大商机。

　　MR2A16A采用256K x 16位配置。它是一种异步设计，使用标准的芯片启动、写入启用和输出启用的接脚，实现了系统的灵活性，防止总线冲突。独立的字节支持接脚实现了灵活的数据总线控制，能以8位或16位为单位读取和写入数据。

MR2A16A的引脚定义

　　本质上来看，MRAM是一种非挥发性内存技术，在不需要电源的情况下，能将内存内容保留至少10年时间。而MR2A16A具有无限制写入能力。研究显示，即使在最恶劣的执行条件下，MR2A16A位单元也能承受58兆次读写周期。迄今为止，MR2A16A位单元从未出现耐久力方面的故障，而位循环研究仍在持续进行。

　　MR2A16A采用0.18μm制程，以及专用的MRAM制程来建构位单元。利用这两种技术，总共可形成5个互连层。该芯片使用3.3V电源。它具有对称的35奈秒的高速读取和写入存取时间，并实现了完全静态执行。首款MRAM组件采用44接脚的TSOP-II封装，符合RoHS标准。它配备了业界标准的中心电源和接地SRAM输出接脚，能应用于各种采用相同SRAM配置的现有硬件中。

MR2A16A的内部架构图

　　MR2A16A主要瞄准商用应用领域，在这些应用中，用户必须在系统崩溃时保存数据。当系统遇到电源故障时，有一些关键的数据参数必须在所有电源断开之前快速保存。保存在MR2A16A上的资料参数还可在事后检索，以诊断或排除导致系统故障的问题。对于这类‘黑盒’应用来说，MR2A16A相当适用，因为它能在断电时以SRAM速度写入数据，同时还能在没有任何电源的情况下保留数据。

　　MRAM还非常适合于那些需要‘恢复播放’功能的娱乐应用。在断电时，指示已播放媒体的时间戳记的书签被快速保存在非挥发性MRAM内存上。在重新接通电源时，它几乎可以瞬时执行恢复播放功能。

媒体恢复播放应用

　　MRAM同时可实现安全系统的加密管理功能。加密参数可以在系统关闭时快速保存和保留。同样，游戏机也需要在电源断开时快速保存数据参数，以保持数据完整性。

MRAM位单元作业

　　MR2A16A拥有包含一个晶体管和一个磁穿隧结(1T1MTJ)的交替(Toggle)位单元。磁穿隧结(MTJ)处于MRAM位单元的核心，它由位于两个磁层之间的一个薄氧化铝(AlOx)介电层组成，每个磁层都拥有一个相关的磁极。顶部磁层称为自由层，因为它可以自由转换极性;底部磁层称为固定层，因为它的极性是固定的，不能更改。

　　自由层的极性决定了位的状态是0还是1。当自由层的极性和固定层的极性相同时(指向同一方向)，通过MTJ Stack的阻力就很小(参见下图a)。

MTJ极性相同-阻力小

　　当自由层的极性和固定层的极性相反时(指向相反的方向)，通过MTI堆栈的阻力就非常大(参见上图b)。

　　正是通过MTJ Stack的阻力大小决定了位单元的读数是‘0’还是‘1’。

　　在编程作业中，自由层的极性可以切换到两个方向中的任何一个。极性通过MTJ顶部和底部垂直方向的铜互连层进行设置。垂直互连的电流产生一个磁场，该磁场可将自由层的极性方向切换为相反方向。

 1T1MTJ 位单元

　　要成为一种可靠的内存，MRAM商品化的主要障碍是其位干扰率很高。在对目标位进行编程时，非目标位中的自由层可以随意编程。透过建构交替位单元，飞思卡尔研究人员已经克服了这一问题。当位的状态切换时，交替 位单元就在相同方向上旋转磁矩。写入线1和写入线2上的不稳定电流脉冲就会旋转极性，而不会干扰目标位同一行或同一列上的位。

　　为进一步让非目标位免受干扰，飞思卡尔在铜缆的三侧使用一个涂敷层将铜互连层包围起来。该涂敷层可以引导和集中指向目标位单元的磁场强度。如此就能使用更低的电流，将相邻位与磁场隔离(在正常情况下磁场会诱发干扰)，因而对目标位进行编程。

　　在量产MRAM组件前，还面临由极薄的AlOx(氧化铝)穿隧隔离层所导致的问题。AlOx中的厚度变化会导致位单元阻力产生很大差异。飞思卡尔已经解决了AlOx厚度变化问题，在整个内存数组、整个晶圆表面和所有量产产品中，穿隧隔离层都是相同的。

　　飞思卡尔还添加了两个额外的层，因而改变了固定磁层方法。固定层下方为Ruthenium (Ru，钌)层，在钌层下方则是另外一个称为钉扎层的磁层。固定层和钉扎层的极性相反，因而产生很强的耦合效应。这种耦合使固定层的极性保持固定。这样，在编程作业过程中，它就不会因为突然施加磁场而发生意外翻转(图7)。

MRAM与其它内存的比较

　　与其它目前市场上通用的内存进行比较，MRAM具有许多优势。

目前市面上主流内存技术概述

　　闪存:闪存技术使用保存在一个浮动多晶硅(浮动闸)上的电荷，该浮动闸覆盖在闸氧化物上。闪存位单元的编程需要一个高电压场，将电子的速度提高到足够快，以便电子能克服硅物质和浮动闸之间的氧化物的能量障碍。这就使电子能够穿过氧化物，为浮动闸充电，而浮动闸又会改变位单元晶体管的电压阈值。电子反复通过氧化物会导致氧化物逐渐消耗。因而，闪存在经过1万~100万个写入周期后就不能再使用。随着连续的写入作业，有些闪存最快可在10天内损耗。而MRAM却能忍受无限数量的写入周期，因为它没有充电或放电过程。在编程过程中，磁极是旋转的，不会产生破坏，也不会降低执行性能。

　　在编程过程中，闪存要求很高的电压，以吸引电子穿过氧化物。MRAM则使用电流来产生磁场，对自由层进行编程。一般来说，闪存在大的内存数组上进行编程或擦除作业。MRAM则能在单个地址上执行写入作业。

　　SRAM:SRAM需要电源来保留其内存内容，因为它使用了CMOS逻辑电平的晶体管。MRAM内存内容保存在自由磁层的极性内，由于该层是磁性的，因此能在无需电源的情况下保留其状态。

　　随着技术的发展，SRAM单元日益变小，势必会产生更多泄漏。对各个单元来说，这个泄漏很小，但是当内存组件中的单元增加到数百万个时，泄漏就相当大了。随着技术日益使SRAM单元变小，这种效应还将继续成长。由于MRAM的非挥发性，可以在系统中采用断电技术，使漏电流接近为零。

　　电池供电SRAM:电池供电SRAM由SRAM单元和电池组成。该内存是非挥发性的，因为电池可以提供电源，以保留内存内容。相反，MRAM则不需要电池来保留数据，MRAM的读写速度高于电池供电的SRAM。由于MRAM不需要电池，因而它也不存在电池组件降低可靠性的固有问题，因而提高了可靠性，消除了与电池处理有关的环境问题。

　　EEPROM:与MRAM相较，EEPROM编程速度要慢得多，写入次数也有限。

　　NVSRAM:NVSRAM(非挥发性SRAM)将SRAM和EEPROM结合在一起。当电源丢失时，NVSRAM将资料从SRAM保存到EEPROM上。然而，将数据传输到EEPROM的速度非常慢，因此NVSRAM上需要一个大型外部电容器以保持电源，同时进行数据传输。MRAM具有写入作业速度更快的优势，可在系统正常执行期间写入数据。因此，当电源丢失时仅需传输最少的数据。采用MRAM的应用可在无需使用大型外部电容器的情况下，安全地将数据写入内存，进而从中受益。

　　FRAM:Ferroelectric RAM(铁电内存)是一种非挥发性RAM，一般来说，它的数组规模比较小，只有4KB到1MB，原因在于FRAM技术的可扩展性非常有限，进一步压缩了位单元大小。而MRAM就没有受到与FRAM相同的可扩展性限制，因此可以实现更大的内存数组。

　　MRAM的编程速度比FRAM快。有些FRAM的读写次数限制在100亿次周期。此外，由于读取作业会破坏正在读取的位单元内容，因此有些FRAM也要求在执行读取作业后刷新内存。

　　DRAM:动态RAM要求频繁刷新内存以保留数据，而MRAM则不要求刷新内存。

MRAM技术未来展望

　　预计MRAM将在汽车领域获得广泛使用。使用MRAM的汽车碰撞记录器将能在出现交通事故时收集和保存更多资料。在这种应用中，内存的内容必须在碰撞过程中(碰撞时电源通常被中断)幸存下来。保留在碰撞记录器中的数据可以用于确定事故的起因或车辆故障。

　　使用传感器的汽车应用从MRAM技术中受益匪浅。由于传感器能够连续不断地向内存中写入数据，因此对于闪存而言，跟上数据写入速度会有一定困难。新型安全气囊系统上具有传感器，用于检测和记录旅客重量、与车辆上其它安全设备的互动以及受影响的程度。

　　其它一些汽车系统，如里程表、胎压系统和ABS煞车系统都需要频繁地向内存写入数据。随着频繁的写入作业，很容易超出闪存的写入/擦除功能限制，因而导致内存损耗。而MRAM则具备无限写入周期能力，可提供更可靠的系统，特别是在安全气囊和ABS等关键任务应用中。

　　近年来，人们对MRAM在军事应用中的使用也产生了一些兴趣。军事应用中的很多系统都依赖电池供电的SRAM。这些应用具有电池带来的固有可靠性问题。军事部门已经意识到MRAM是一种更可靠的替代产品，Honeywell已经授权飞思卡尔的MRAM技术在军事和航天应用领域内使用。

　　随着MRAM技术的改进，嵌入式系统在架构方面要经历更为剧烈的变化。目前为止，MRAM是取代嵌入式微控制器中RAM+闪存方案的最具潜力商品。一般来说，RAM用于数据储存，闪存则用于程序储存。MRAM将能取代这两种内存，实现单内存架构。MRAM还可以取代微控制器中的芯片专用ROM程序代码，以便为这些程序代码提供快速的现场可编程升级。

　　在大型系统中，微控制器与提供快速读写功能的RAM内存进行互动。DRAM主要作为应用程序的临时内存，而硬盘则用来保存应用软件和数据的非挥发性信息，但它的读写速度很慢。一旦MRAM取代了所有这些内存组件，我们就能实时引导PC和其它系统从中断的地方恢复执行。MRAM的这些功能可为这种技术创造更多商机。

　　目前市场上仍未出现真实的通用内存。所有内存在写入循环次数、读写速度、数据保留、数组密度、功耗和价格方面各具优劣势。目前市场上的所有内存都有其固有的局限性，因此不可能同时具备所有类型内存的最佳特性。然而，随着技术的进一步改进，MRAM将凭借其优势，在成为通用内存方面占据独特的优势地位。

耐久性研究

　　MR2A16A位耐久性的研究目的是确定MRAM位单元是否受到耐久性限制。这种经验式研究还用于确定重复使用内存是否会对软错误率(SER)产生负面影响。

　　读写周期测试是在Burn-in(老化试验)系统中进行的，很多单元能够同时执行。功能测试和软错误率数据的收集则在ATE上进行。

　　该组件在4MHz(250奈秒)和90℃的条件下执行。MR2A16A的最高频率为28.5MHz (35ns)。商用产品的最高外围温度规格为70℃。根据计算结果，若在4MHz频率下执行，其执行频率会增加到28.5MHz，则MR2A16A接面温度将会提高20℃。所以，尽管70℃是规定的最高温度，但研究实际上是在90℃温度下进行的。

　　循环压力、功能测试、SER数据收集都在最坏的标称电压和温度执行环境下进行。这时，我们研究的组件忍耐了58兆(5.8E13)次读写周期，而没有出现任何故障。该研究还在进行中，旨在确定能在多大程度上为MR2A16A 1T1MTJ位单元的写入周期收集经验数据。