MRAM：內(nèi)存的新潮流(下)

Freescale所提供的MRAM替代性方案

在Freescale的器件中，自由的和固定的磁體層并不是單純的鐵磁板。相反，它們是合成的反鐵磁體(synthetic antiferromagnet，SAF)三明治結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)反向?qū)?zhǔn)的鐵磁材料層以及兩層材料之間所夾的一層非磁性材料耦合隔層而組成。圖2示出了一個(gè)SAF位單元。SAF三明治結(jié)構(gòu)產(chǎn)生磁致電阻效應(yīng)的能力并不會(huì)因?yàn)樗幕旌鲜浇Y(jié)構(gòu)而受到影響。對(duì)準(zhǔn)和反對(duì)準(zhǔn)只取決于MTJ結(jié)構(gòu)兩側(cè)相對(duì)的兩層材料。將兩層板材組成SAF，就可以讓每層板變成“磁矩平衡”—凈外磁場(chǎng)為零。這避免了磁場(chǎng)交疊而導(dǎo)致的可擴(kuò)展性的問(wèn)題。

SAF對(duì)于附近的導(dǎo)線上流過(guò)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)所作出的響應(yīng)迥異于簡(jiǎn)單的鐵磁板三明治結(jié)構(gòu)。其磁軸，總是試圖與導(dǎo)線保持一定的角度回轉(zhuǎn)。這就使得以步進(jìn)方式切換自由的SAF場(chǎng)(而不是以莽力顛倒其朝向)提供了可能。這種步進(jìn)旋檔式切換不僅所需要的能量顯著低于交叉點(diǎn)開關(guān)式的，而且可以完全取消前述的“半選中”單元出現(xiàn)連帶寫入這一難以解決的問(wèn)題。圖3示出了這種磁場(chǎng)切換控制技術(shù)。在這種方案中，“半選中”的單元僅旋轉(zhuǎn)45度，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)不會(huì)切換到相反的對(duì)準(zhǔn)方式的狀態(tài)上。正如所選中的單元在位線斷電時(shí)會(huì)猛然回到最接近的穩(wěn)態(tài)軸向上一樣，“半選中”的單元在選中的線上所接通的電源被切斷后會(huì)自然而然地快速切換到它們初始的朝向上。此外，由單根線所產(chǎn)生的力起到了提高”半選中”單元的開關(guān)勢(shì)壘的作用，而不是削弱這種勢(shì)壘，因?yàn)橐粋€(gè)所施加的力可以防止SAF單元在選擇序列中作絲毫進(jìn)一步的旋轉(zhuǎn)。

圖3示出了T2到T3時(shí)鐘周期所出現(xiàn)的效應(yīng)。WL上的電流防止軸線作出絲毫的進(jìn)一步的旋轉(zhuǎn)(在通過(guò)周期T2中的“硬軸”線之后)，必須在此后得以降低(在T3周期)以便讓旋檔的運(yùn)動(dòng)繼續(xù)下去。事實(shí)上，只要線通以電流，單元的軸向就會(huì)停滯在某一角度上而不會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)。增大這根線的電流，而不是設(shè)法讓該單元失穩(wěn)，只是使得它的軸向更為穩(wěn)定地固定在指定的位置上。

旋檔式切換的另一個(gè)顯著的特征是，將一個(gè)1或0寫入某個(gè)單元，對(duì)其行為特性并不會(huì)產(chǎn)生任何影響。無(wú)論單元采用兩個(gè)對(duì)準(zhǔn)方向中的哪一個(gè)，施加一串相同的寫入脈沖序列將使之旋轉(zhuǎn)180度到另一個(gè)對(duì)準(zhǔn)方向。這一特性的優(yōu)點(diǎn)在于消除了采用雙向位線的必要性。不利之處就在于在對(duì)每一位存儲(chǔ)進(jìn)行寫入前必須進(jìn)行讀出操作，以確定它目前的對(duì)準(zhǔn)方向。如果需要切換方向的話，這一復(fù)雜性就會(huì)使寫入周期變慢，但它避免了將旋檔動(dòng)作一分為二的必要。在一個(gè)交叉點(diǎn)陣列中，同樣也沒有必要用相同的量值來(lái)覆蓋一個(gè)0或者1數(shù)據(jù)，但是，因?yàn)楦采w一個(gè)交叉點(diǎn)單元不會(huì)帶來(lái)?yè)p害，因此在寫入新的值之前無(wú)需確定單元內(nèi)現(xiàn)有的值。相比之下，對(duì)處于0或者1狀態(tài)的單元進(jìn)行旋檔式操作始終會(huì)寫入相反的值。于是，旋檔操作不能盲目進(jìn)行——如果單元所儲(chǔ)存的值與要寫入的值一致，則根本就不會(huì)進(jìn)行寫入操作。

Freescale在MRAM方面的其他創(chuàng)新

旋檔切換(由Motorola的Leonid Savtchenko發(fā)明)只是在Freescale的設(shè)計(jì)中，多項(xiàng)引人注意的創(chuàng)新中的一項(xiàng)而已。圖4示出了Freescale單元的更為詳細(xì)的原理圖。請(qǐng)注意，銅質(zhì)的字和位線包裹在一層鐵磁材料中。構(gòu)造雖然因此變得更為復(fù)雜，但這樣的結(jié)構(gòu)可以將寫入脈沖所產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中，減少讓單元重新對(duì)準(zhǔn)方向所需的電流大小。因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)通過(guò)單個(gè)控制(或者“隔離”)晶體管將每個(gè)MRAM單元連接起來(lái)，而這些晶體管引導(dǎo)讀取電流流過(guò)單元，故Freescale將它稱為一個(gè)1T1MTJ位單元設(shè)計(jì)。

MRAM位單元的一個(gè)有趣的和極為重要的特性是它們完全可以制作在芯片的金屬互連層中，在后端處理工藝中添加到芯片上去。圖5就示出了Freescale的芯片的橫截面，從中可以看出，位單元位于Metal 4(用作字或者數(shù)字線)和Metal 5(用作位線)這兩層金屬之間。

MRAM也可以采用多種其他的單元和芯片設(shè)計(jì)。Cypress Semiconductor于2005年1月提供樣品的一種MRAM芯片，就將每個(gè)MTJ用兩個(gè)晶體管耦合起來(lái)，其中一個(gè)用于控制對(duì)單元的讀取，另一個(gè)用于控制對(duì)其的寫入。這種設(shè)計(jì)也是通過(guò)消除了所有“半選中的”單元來(lái)避免了對(duì)交叉點(diǎn)的連帶寫入。Cypress的雙晶體管設(shè)計(jì)的不足是單元尺寸更大，存儲(chǔ)容量受到限制。

MR2A16A與其他存儲(chǔ)芯片的比較

Freescale的MR2A16A與所有其他的MRAM競(jìng)爭(zhēng)者相比，最顯著的差異就在于這款產(chǎn)品已經(jīng)投入了批量化生產(chǎn)。任何人出價(jià)25美元就可以買下它。

這種器件采用了3.3V的電源電壓，容量為4Mb(256K