MRAM以优异性能迈入商用存储器行列

MRAM内存技术利用磁矩存储位态，业已证明完全可以满足众多的商业应用。而型号为MR2A16A的存储器，具有许多独特的特征，可以适用于许多方面的应用。

MRAM的特征

4Mb的MR2A16A以256Kx16位配置进行排列。它采用异步设计，使用标准芯片使能、写使能和输出使能引脚，从而保证了系统灵活性并防止总线冲突。分离的使能引脚可以实现灵活的数据总线控制，可以按8位或16位读写数据。MRAM本身是一种非易失性存储技术，在不需要电能的情况下可以保留存储内容至少十年。

MR2A16A具有无限的写周期。经研究显示，MR2A16A位元在最差的操作环境下可以经受58万亿次读写周期。迄今为止，MR2A16A位元还没有出现过老化失效，而有关位读写周期方面的进一步研究还在继续进行。MR2A16A使用0.18μm工艺和创建位元的特有MRAM处理技术。利用这两种技术实现了共五层之间的内部互连。

芯片的工作电压为3.3V。高速读写访问时间对称，均为35ns。该器件还可以进行全静态操作。首款MRAM器件采用符合RoHS标准的44芯TSOP II型封装。该封装采用工业标准的中间电源和接地SRAM引脚，从而可以用于采用相同的SRAM结构的现有硬件系统中(见图1、表1和图2)。

MRAM的应用领域

现在，MR2A16A在那些要求系统崩溃时必须保存数据的应用中非常有价值，这一点非常关键。当系统产生电源故障时，有一些重要的数据需要在完全掉电前快速保存。存储在MR2A16A中的数据参数可以在稍后找回，用来诊断或调试造成系统失效的原因。MR2A16A是此类“黑盒子”应用程序的最佳解决方案，因为它可以在完全掉电前快速将数据写入SRAM，而且一旦完全掉电后可以保留数据。

MRAM也非常适合于娱乐性应用，这些应用需要具有继续游戏的功能。停电时，指示正在播放媒体的时间戳的书签被快速存储到非易失性MRAM存储器上。加电后就可以立即继续播放(见图3)。

通过对加密的管理，MRAM可以对系统安全做出贡献。加密参数可以快速存储，并且在系统关闭时会保留。同样，停电过程中游戏机需要数据参数快速存储和数据的完整性。

MRAM位元操作

MR2A16A配有包含一个晶体管和一个磁隧结(1T1MTJ)的位元。磁隧结或MTJ位于MRAM位元的中心。它由放置在两个磁性层之间的非常薄的氧化铝(AlOx)电介质层组成。每个磁性层都有一个磁性极与之相关联。顶部磁性层称为自由层，因为它可以自由地转换极性。底部磁性层称为固定层，因为极性固定且无法改变。

图1：MR2A16A存储芯片的外形封装

表1：MR2A16A存储器的引脚功能

图2：MR2A16A存储器的架构方框图

图3：利用存储器实现多媒体回放

图4：MTJ同极性结构——低阻

存储位的置“0”状态或置“1”状态正是由自由层的极性来确定的。自由层极性和固定层极性一致时(指向相同方向)，穿越MTJ栈层的阻抗很低(请参阅图4)。自由层极性和固定层极性180度相反时(指向相反方向)，穿越MTJ栈层的阻抗就很高(请参阅图5)。由MTJ堆栈中的低阻抗和高阻抗来确定是否将位元读为“0”或“1”。

图5：MTJ反极性结构——高阻

编程操作中，自由层的极性跳转至两个方向中的一个方向。具体极性根据铜内连接在MTJ的顶部和底部上的垂直方向来确定。穿越垂直的内连接层的电流产生一个磁场，该磁场将自由层的极性按相反方向翻转(如图6所示)。

图6：1T1MTJ的位元结构

实现MRAM可靠存储的一个主要障碍是高位干扰率。对目标位进行编程时，非目标位中的自由层会被误编程。目前飞思卡尔半导体研究人员已经成功解决了此问题，其方法是，在每次出现位状态空翻时，产生一个跳变位，它将磁矩的方向旋转到同一方向。写入线1和写入线2上的反转脉冲电流使极性旋转，从而不会干扰相同行或列的其它位元。

要进一步隔离非目标位，使其不受干扰，飞思卡尔半导体使用镀层包裹内部铜连线的三个侧面。此镀层将磁场强度引向并集中到目标位元。这使得目标位可以使用低得多的电流进行编程，并隔离磁场周边的通常会遭到干扰的位元。

大批量生产MRAM设备的另一个难题是由于极薄的AlOx隧道结。AlOx结厚度上得很小变化都会导致位元电阻的很大不同。飞思卡尔半导体也解决了这一问题，从而实现了在整个晶圆表面上以及整个批量上，都能产生一致的隧道结。

飞思卡尔半导体还通过增加两个附加层来改进固定磁性层。在固定层下面增加了一层钌(Ru)。而在Ru层下面有增加了另一层称为牵制层(pinning layer)的磁性层。固定层和牵制层的极性相反，将会引起很强的耦合。该强耦合使固定层的极性保持锁定，因此不会在编程操作过程中引起误反转(图7)。

图7：牵制层通过强磁场耦合来锁定非目标位的极性以免被误编程

MRAM与其它存储器的比较

相对其它存储器MRAM有许多显著的优点(如表2所示)。

表2：各种存储器技术的主要性能比较

相对于闪存 闪存技术是利用存储在一片放置在栅氧化层上的浮动多晶硅(浮动栅)上的电荷来实现存储的。闪存位元的编程需要强电场，将电子加速到足够的速度以便电子可以克服硅层和浮动栅之间氧化层的能阻。这使得电子穿透氧化层对浮动栅充电，从而改变位元晶体管的阈值电压。电子重复地穿越氧化层造成氧化层材料的逐渐耗损，故闪存的读写次数仅限于10k~1M次，之后位元存储功能将丧失。由于连续的写操作，某些闪存10天后就可能损坏。而MRAM可以经受无限次的写周期，因为没有充电和放电过程。磁性极在编程过程中旋转，这是非破坏性和非退化性的操作。

编程过程中，闪存需要高电压吸引电子穿越氧化层材料，而MRAM则使用电流创建磁场来对自由层编程。通常闪存在存储器阵列的大块上执行程序或擦除操作，而MRAM可以在单独地址上执行写操作。

相对于SRAM SRAM需要电能来保留内存内容，因为使用的是采用CMOS逻辑的有源晶体管，而MRAM存储器是利用自由磁性层的极性来保存内容的，磁层是带磁性的，因此不需要电能就能保留其状态。

随着技术继续进一步缩小SRAM单元，几何设备越小泄漏就会越多。对于单个位元而言泄漏可能微不足道，但是内存设备中有成百万个单元，因此泄漏就会非常大。随着技术性的发展而进一步缩小单元，此影响会继续增大。然而MRAM是非易失性的，在系统中可以利用停电保护技术，从而使泄漏电流接近于零。

电池后备供电的SRAM 电池后备供电的SRAM由SRAM单元以及同一封装中附带的电池组成。此内存是非易失性的，因为电池提供保留内存内容所需要的电能。然而MRAM不需要电池来保留数据。MRAM的读写速度比电池后备供电的SRAM要快。不使用电池提高了可靠性(由于电池组件本身降低了可靠性)，并消除了与废弃电池相关联的环境保护问题。

相对于EEPROM 与具备有限次写周期能力的MRAM相比，即便是优异的电子可擦写只读存储器(EEPROM)，其编程速度也较慢。

相对于NVSRAM NVSRAM或非易失性SRAM采用SRAM和EEPROM的结合。NVSRAM在停电过程中将SRAM上的数据存储至EEPROM。但是，这种向EEPROM进行的数据转移非常慢。因为缓慢的转移速度，需要利用一个较大的外部电容器保持电能，从而在进行数据保存转移时对NVSRAM供电。然而，MRAM写入速度更快，从而数据可以在正常的系统操作过程中写入。因此在停电过程中所需的数据转移量很小。使用MRAM不仅可以安全写入内存，还不需要较大的外部电容器。

相对于FRAM 虽然铁电RAM(FRAM)也是一种非易失性RAM，但通常阵列很小，一般为4k～1M位。阵列很小的原因在于FRAM技术的可扩缩性有限，从而无法进一步缩小位元尺寸。而MRAM的可扩缩性限制与FRAM不同，因此可以实现较大的存储器阵列。另外，MRAM编程还比FRAM快。某些FRAM的写周期次数有限，大约为100亿次。一些FRAM也要求在读取之后刷新存储器，因为操作破坏了所读取位元的内容。

相对于DRAM 动态RAM(DRAM)需要不断刷新存储器才能保存数据。而MRAM则不需要刷新存储器。

MRAM的发展前景

下一阶段的MRAM将会用于自动化方面的应用中。使用MRAM的汽车撞车记录器将可以在事故发生过程中收集并存储更多的数据。在此类应用中，电源常常会在发生撞车时中断，此时存储器中的内容仍需要保存下来。撞车记录器中保留的数据可以用于确定事故原因或汽车故障。

使用传感器的自动化应用也从MRAM技术得到很大的益处。因为传感器持续向内存储器中写入数据，对于闪存而言难以与该数据流速保持一致。新的气囊系统具有传感器来检测并记录旅客重量、与汽车上其它安全设备的交互以及碰撞的程度。

需要不断地写入存储器的其它自动化系统还有里程表、轮胎气压表和ABS。由于不断地写入，很容易就会超出存储器的写擦除能力，导致存储器损坏。MRAM的无限次写周期将确保系统更可靠，在气囊和ABS这类的关键任务系统中更需要。

基于MRAM有许多优点，还可以将其用于军事应用。有许多系统依赖于电池后备供电的SRAM。这些应用对电池有固有的依赖性。而MRAM是一种更可靠的选择，军事应用已意识到这一点。Honeywell已经许可飞思卡尔半导体的MRAM技术用于军事和航空应用。

随着MRAM技术的改进，嵌入式系统在体系结构将会有巨大变动。到目前为止，MRAM具有最好的潜力来替代嵌入式微控制器中的RAM+Flash存储器(通常RAM用于数据存储，闪存用作程序内存)。MRAM将会替代这两种存储器，实现单存储器体系结构。在微处理控制器中具有芯片特定的ROM代码，可以用MRAM来替代以对那些代码进行快速现场可编程升级。

在更大的系统中，微处理器与RAM内存的交互提供了快速读写能力。DRAM大都用作临时存储区来储存应用程序。硬盘驱动器用于存储应用程序软件和数据的非易失性信息，但读写缓慢。一旦用MRAM替代所有的这些存储设备之后，PC和其它系统将可以即时启动，并可以停止的位置恢复工作。MRAM的这些优异性能可以为此技术打开广泛的市场机会。

目前，还没有通用的存储器。所有的存储器在写周期、读写速度、数据保存、阵列密度、能量消耗和价格方面都各有缺陷。市场上所有现有的存储器都有其固有的限制，使其无法具有所有存储器类型综合起来的最好功能。但是，随着技术的进一步发展，MRAM以其独有的优势有望成为通用的存储器。

MRAM耐擦写周期试验

MRAM MR2A16A位耐擦写周期研究的目的是确定MRAM位元是否具有耐擦写限制。该研究试验还包括通过存储器的重复使用是否对软误差率(SER)具有负面影响。写周期试验是在高温系统中进行的，许多单元可以同时运行。功能测试和软误差率数据的收集在ATE上完成。

该设备在4MHz(250ns)和90℃条件下运行。MR2A16A的最高频率是28.5MHz(35ns)。商用产品的最高环境温度要求是70℃。经计算，如果将4MHz上运行的器件的工作频率增加到28.5MHz，MR2A16A结温将升高20℃。因此，尽管最高温度要求是70℃，而实际上却在90℃温度下进行该项研究。

写周期、功能测试和SER数据收集都是在最坏额定电压和温度工作条件下进行的。此时，研究结果显示，试验单元经过58万亿次擦写周期而没有出现任何故障。目前研究还在继续进行，目的是为了验证所获取的MR2A16A 1T1MTJ位单元写周期数据的普遍性。

作者：Tom Lee

飞思卡尔半导体