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