非易失性MRAM讀寫操作

高密度MRAM具有非常低的功率，高的讀取速度，非常高的資料保留能力和耐久性，適用於廣泛的應用。單元面積僅為0.0456平方微米，讀取速度為10ns，讀取功率為0.8mA/MHz/b，在低功耗待機模式（LPSB）下，其在25C時的洩漏電流小於55mA，相當於每位元的漏電流僅為1.7E-12A。對於32Mb資料，它具有100K個迴圈的耐久性，而對於1Mb的資料可以>1M個迴圈。它在260°C的IR迴流下具有90秒的資料保留能力，在150°C的條件下可儲存資料10年以上。
 
讀取操作
 
為了從LPSM快速，低能耗喚醒以實現高速讀取訪問，它採用了細粒度的電源門控電路（每128行一個），分兩步進行喚醒（如圖1所示）。電源開關由兩個開關組成，一個開關用於晶片電源VDD，另一個開關用於從低壓差（LDO，LowDrop-Out）穩壓器提供VREG的穩定電壓。首先開啟VDD開關以對WL驅動器的電源線進行預充電，然後開啟VREG開關以將電平提升至目標電平，從而實現<100ns的快速喚醒，同時將來自VREGLDO的瞬態電流降至最低。
 

 

 
 
MRAM寫入操作
 
低阻態Rp和高阻態Rap的MRAM寫入操作需要如圖2所示的雙向寫入操作。要將Rap狀態寫到Rp需要將BL偏置到VPP，WL到VREG_W0，SL到0以寫入0狀態。要寫入1狀態，將Rap變成Rp需要反方向的電流，其中BL為0，SL為VPP，WL為VREG_W1。

 

 
為了在260°C的IR迴流焊中達到90秒的保留資料時長，需要具有高能壘Eb的MTJ。這就需要將MTJ開關電流增加到可靠寫入所需的數百mA。寫入電壓經過溫度補償，電荷泵為選定的單元產生一個正電壓，為未選定的字線產生一個負電壓，以抑制高溫下的位線漏電。寫電壓系統如圖3所示。

 

 
在較寬的溫度範圍內工作時，需要對寫入電壓進行溫度補償。圖4顯示了從-40度到125度的寫入電壓shmoo圖，其中F/P表示在-40度時失敗，而在125度時透過。
 

 

 
具有標準JTAG介面的BIST模組可實現自修復和自調節，以簡化測試流程。實現圖5中所示的雙糾錯ECC（DECECC）的儲存控制器TMC。

 

 
TMC實施了智慧寫操作演算法，該演算法實現了偏置設定和驗證/重試時間，以實現較高的寫入耐久性（>1M迴圈）。它包含寫前讀（用於確定需要寫哪些位）和動態分組寫入（用於提高寫吞吐量），帶寫校驗的多脈衝寫入操作以及最佳化寫電壓以實現高耐久性。該演算法如圖6所示。
 

 

 
MRAM資料可靠性
 
在基於自旋的STT-MRAM的許多應用中，磁場干擾是一個潛在的問題。該解決方案是在封裝上沉積0.3mm厚的磁遮蔽層，如圖6所示，實驗表明在移動裝置的商用無線充電器的磁場強度為3500Oe的情況下，暴露100小時的誤位元速率可以從>1E6ppm降低到〜1ppm。另外在650Oe的磁場下，在125°C下的資料儲存時間超過10年。