非易失性MRAM读写操作

高密度MRAM具有非常低的功率，高的读取速度，非常高的数据保留能力和耐久性，适用于广泛的应用。单元面积仅为0.0456平方微米，读取速度为10ns，读取功率为0.8mA/MHz/b，在低功耗待机模式（LPSB）下，其在25C时的泄漏电流小于55mA，相当于每比特的漏电流仅为1.7E-12A。对于32Mb数据，它具有100K个循环的耐久性，而对于1Mb的数据可以>1M个循环。它在260°C的IR回流下具有90秒的数据保留能力，在150°C的条件下可保存数据10年以上。
 
MRAM读取操作
 
为了从LPSM快速，低能耗唤醒以实现高速读取访问，它采用了细粒度的电源门控电路（每128行一个），分两步进行唤醒（如图1所示）。电源开关由两个开关组成，一个开关用于芯片电源VDD，另一个开关用于从低压差（LDO，LowDrop-Out）稳压器提供VREG的稳定电压。首先打开VDD开关以对WL驱动器的电源线进行预充电，然后打开VREG开关以将电平提升至目标电平，从而实现<100ns的快速唤醒，同时将来自VREGLDO的瞬态电流降至最低。
 

 

图1.具有两步唤醒功能的细粒度电源门控电路（每128行一个）。

 
 
MRAM写入操作
 
低阻态Rp和高阻态Rap的MRAM写入操作需要如图2所示的双向写入操作。要将Rap状态写到Rp需要将BL偏置到VPP，WL到VREG_W0，SL到0以写入0状态。要写入1状态，将Rap变成Rp需要反方向的电流，其中BL为0，SL为VPP，WL为VREG_W1。

 

图2.平行低电阻状态Rp和高电阻反平行状态Rap的双向写入

 
为了在260°C的IR回流焊中达到90秒的保留数据时长，需要具有高能垒Eb的MTJ。这就需要将MTJ开关电流增加到可靠写入所需的数百mA。写入电压经过温度补偿，电荷泵为选定的单元产生一个正电压，为未选定的字线产生一个负电压，以抑制高温下的位线漏电。写电压系统如图3所示。

 

图3显示了电荷泵对WL和BL/SL的过驱动以及温度补偿的写偏置

 
在较宽的温度范围内工作时，需要对写入电压进行温度补偿。图4显示了从-40度到125度的写入电压shmoo图，其中F/P表示在-40度时失败，而在125度时通过。
 

 

图4.显示写入期间温度补偿的要求。

 
具有标准JTAG接口的BIST模块可实现自修复和自调节，以简化测试流程。实现图5中所示的双纠错ECC（DECECC）的存储控制器TMC。

 

图5.BIST和控制器，用于在测试和实施DECECC期间进行自修复和自调节。

 
TMC实施了智能写操作算法，该算法实现了偏置设置和验证/重试时间，以实现较高的写入耐久性（>1M循环）。它包含写前读（用于确定需要写哪些位）和动态分组写入（用于提高写吞吐量），带写校验的多脉冲写入操作以及优化写电压以实现高耐久性。该算法如图6所示。
 

 

图6.智能写操作算法，显示动态组写和带写验证的多脉冲写。

 
MRAM数据可靠性
 
在基于自旋的STT-MRAM的许多应用中，磁场干扰是一个潜在的问题。该解决方案是在封装上沉积0.3mm厚的磁屏蔽层，如图6所示，实验表明在移动设备的商用无线充电器的磁场强度为3500Oe的情况下，暴露100小时的误码率可以从>1E6ppm降低到〜1ppm。另外在650Oe的磁场下，在125°C下的数据保存时间超过10年。
 

 

图7.对3500Oe磁场的灵敏度降低了1E6倍。