MRAM：內存的新潮流(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)三明治結構，由兩個(gè)反向對準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三明治結構產(chǎn)生磁致電阻效應的能力并不會(huì )因為它的混合式結構而受到影響。對準和反對準只取決于MTJ結構兩側相對的兩層材料。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)交疊而導致的可擴展性的問(wèn)題。

SAF對于附近的導線(xiàn)上流過(guò)的電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)所作出的響應迥異于簡(jiǎn)單的鐵磁板三明治結構。其磁軸，總是試圖與導線(xiàn)保持一定的角度回轉。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(zhù)低于交叉點(diǎn)開(kāi)關(guān)式的，而且可以完全取消前述的“半選中”單元出現連帶寫(xiě)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45度，而遠遠不會(huì )切換到相反的對準方式的狀態(tài)上。正如所選中的單元在位線(xiàn)斷電時(shí)會(huì )猛然回到最接近的穩態(tài)軸向上一樣，“半選中”的單元在選中的線(xiàn)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(xiàn)所產(chǎn)生的力起到了提高”半選中”單元的開(kāi)關(guān)勢壘的作用，而不是削弱這種勢壘，因為一個(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。

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

旋檔式切換的另一個(gè)顯著(zhù)的特征是，將一個(gè)1或0寫(xiě)入某個(gè)單元，對其行為特性并不會(huì )產(chǎn)生任何影響。無(wú)論單元采用兩個(gè)對準方向中的哪一個(gè)，施加一串相同的寫(xiě)入脈沖序列將使之旋轉180度到另一個(gè)對準方向。這一特性的優(yōu)點(diǎn)在于消除了采用雙向位線(xiàn)的必要性。不利之處就在于在對每一位存儲進(jìn)行寫(xiě)入前必須進(jìn)行讀出操作，以確定它目前的對準方向。如果需要切換方向的話(huà)，這一復雜性就會(huì )使寫(xiě)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(méi)有必要用相同的量值來(lái)覆蓋一個(gè)0或者1數據，但是，因為覆蓋一個(gè)交叉點(diǎn)單元不會(huì )帶來(lái)?yè)p害，因此在寫(xiě)入新的值之前無(wú)需確定單元內現有的值。相比之下，對處于0或者1狀態(tài)的單元進(jìn)行旋檔式操作始終會(huì )寫(xiě)入相反的值。于是，旋檔操作不能盲目進(jìn)行——如果單元所儲存的值與要寫(xiě)入的值一致，則根本就不會(huì )進(jìn)行寫(xiě)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的設計中，多項引人注意的創(chuàng )新中的一項而已。圖4示出了Freescale單元的更為詳細的原理圖。請注意，銅質(zhì)的字和位線(xiàn)包裹在一層鐵磁材料中。構造雖然因此變得更為復雜，但這樣的結構可以將寫(xiě)入脈沖所產(chǎn)生的磁場(chǎng)集中，減少讓單元重新對準方向所需的電流大小。因為這種設計通過(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)，而這些晶體管引導讀取電流流過(guò)單元，故Freescale將它稱(chēng)為一個(gè)1T1MTJ位單元設計。

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(用作字或者數字線(xiàn))和Metal 5(用作位線(xiàn))這兩層金屬之間。

MRAM也可以采用多種其他的單元和芯片設計。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)用于控制對單元的讀取，另一個(gè)用于控制對其的寫(xiě)入。這種設計也是通過(guò)消除了所有“半選中的”單元來(lái)避免了對交叉點(diǎn)的連帶寫(xiě)入。Cypress的雙晶體管設計的不足是單元尺寸更大，存儲容量受到限制。

MR2A16A與其他存儲芯片的比較

Freescale的MR2A16A與所有其他的MRAM競爭者相比，最顯著(zhù)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(mǎi)下它。

這種器件采用了3.3V的電源電壓，容量為4Mb(256K