非易失性MRAM讀寫操做

高密度MRAM具備很是低的功率，高的讀取速度，很是高的數據保留能力和耐久性，適用於普遍的應用。單元面積僅爲0.0456平方微米，讀取速度爲10ns，讀取功率爲0.8mA/MHz/b，在低功耗待機模式（LPSB）下，其在25C時的泄漏電流小於55mA，至關於每比特的漏電流僅爲1.7E-12A。對於32Mb數據，它具備100K個循環的耐久性，而對於1Mb的數據能夠>1M個循環。它在260°C的IR迴流下具備90秒的數據保留能力，在150°C的條件下可保存數據10年以上。
 
MRAM讀取操做
 
爲了從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，一個開關用於芯片電源VDD，另外一個開關用於從低壓差（LDO，LowDrop-Out）穩壓器提供VREG的穩定電壓。首先打開VDD開關以對WL驅動器的電源線進行預充電，而後打開VREG開關以將電平提高至目標電平，從而實現<100ns的快速喚醒，同時未來自VREGLDO的瞬態電流降至最低。
 

 

圖1.具備兩步喚醒功能的細粒度電源門控電路（每128行一個）。

 
 
MRAM寫入操做
 
低阻態Rp和高阻態Rap的MRAM寫入操做須要如圖2所示的雙向寫入操做。要將Rap狀態寫到Rp須要將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須要反方向的電流，其中BL爲0，SL爲VPP，WL爲VREG_W1。

 

圖2.平行低電阻狀態Rp和高電阻反平行狀態Rap的雙向寫入

 
爲了在260°C的IR迴流焊中達到90秒的保留數據時長，須要具備高能壘Eb的MTJ。這就須要將MTJ開關電流增長到可靠寫入所需的數百mA。寫入電壓通過溫度補償，電荷泵爲選定的單元產生一個正電壓，爲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。

 

圖3顯示了電荷泵對WL和BL/SL的過驅動以及溫度補償的寫偏置

 
在較寬的溫度範圍內工做時，須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度時經過。
 

 

圖4.顯示寫入期間溫度補償的要求。

 
具備標準JTAG接口的BIST模塊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）的存儲控制器TMC。

 

圖5.BIST和控制器，用於在測試和實施DECECC期間進行自修復和自調節。

 
TMC實施了智能寫操做算法，該算法實現了偏置設置和驗證/重試時間，以實現較高的寫入耐久性（>1M循環）。它包含寫前讀（用於肯定須要寫哪些位）和動態分組寫入（用於提升寫吞吐量），帶寫校驗的多脈衝寫入操做以及優化寫電壓以實現高耐久性。該算法如圖6所示。
 

 

圖6.智能寫操做算法，顯示動態組寫和帶寫驗證的多脈衝寫。

 
MRAM數據可靠性
 
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厚的磁屏蔽層，如圖6所示，實驗代表在移動設備的商用無線充電器的磁場強度爲3500Oe的狀況下，暴露100小時的誤碼率能夠從>1E6ppm下降到〜1ppm。另外在650Oe的磁場下，在125°C下的數據保存時間超過10年。
 

 

圖7.對3500Oe磁場的靈敏度下降了1E6倍。