高密度MRAM具有非常低的功率，高的讀取速度，非常高的數(shù)據(jù)保留能力和耐久性，適用于廣泛的應(yīng)用。單元面積僅為0.0456平方微米，讀取速度為10ns，讀取功率為0.8mA/MHz/b，在低功耗待機(jī)模式（LPSB）下，其在25C時(shí)的泄漏電流小于55mA，相當(dāng)于每比特的漏電流僅為1.7E-12A。對(duì)于32Mb數(shù)據(jù)，它具有100K個(gè)循環(huán)的耐久性，而對(duì)于1Mb的數(shù)據(jù)可以》1M個(gè)循環(huán)。它在260°C的IR回流下具有90秒的數(shù)據(jù)保留能力，在150°C的條件下可保存數(shù)據(jù)10年以上。

MRAM讀取操作

為了從LPSM快速，低能耗喚醒以實(shí)現(xiàn)高速讀取訪問，它采用了細(xì)粒度的電源門控電路（每128行一個(gè)），分兩步進(jìn)行喚醒（如圖1所示）。電源開關(guān)由兩個(gè)開關(guān)組成，一個(gè)開關(guān)用于芯片電源VDD，另一個(gè)開關(guān)用于從低壓差（LDO，LowDrop-Out）穩(wěn)壓器提供VREG的穩(wěn)定電壓。首先打開VDD開關(guān)以對(duì)WL驅(qū)動(dòng)器的電源線進(jìn)行預(yù)充電，然后打開VREG開關(guān)以將電平提升至目標(biāo)電平，從而實(shí)現(xiàn)《100ns的快速喚醒，同時(shí)將來自VREGLDO的瞬態(tài)電流降至最低。

圖1.具有兩步喚醒功能的細(xì)粒度電源門控電路（每128行一個(gè)）。

MRAM寫入操作

低阻態(tài)Rp和高阻態(tài)Rap的MRAM寫入操作需要如圖2所示的雙向?qū)懭氩僮?。要將Rap狀態(tài)寫到Rp需要將BL偏置到VPP，WL到VREG_W0，SL到0以寫入0狀態(tài)。要寫入1狀態(tài)，將Rap變成Rp需要反方向的電流，其中BL為0，SL為VPP，WL為VREG_W1。

圖2.平行低電阻狀態(tài)Rp和高電阻反平行狀態(tài)Rap的雙向?qū)懭?/p>

為了在260°C的IR回流焊中達(dá)到90秒的保留數(shù)據(jù)時(shí)長，需要具有高能壘Eb的MTJ。這就需要將MTJ開關(guān)電流增加到可靠寫入所需的數(shù)百mA。寫入電壓經(jīng)過溫度補(bǔ)償，電荷泵為選定的單元產(chǎn)生一個(gè)正電壓，為未選定的字線產(chǎn)生一個(gè)負(fù)電壓，以抑制高溫下的位線漏電。寫電壓系統(tǒng)如圖3所示。

圖3顯示了電荷泵對(duì)WL和BL/SL的過驅(qū)動(dòng)以及溫度補(bǔ)償?shù)膶懫?/p>

在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，需要對(duì)寫入電壓進(jìn)行溫度補(bǔ)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(shí)失敗，而在125度時(shí)通過。

圖4.顯示寫入期間溫度補(bǔ)償?shù)囊蟆?/p>

具有標(biāo)準(zhǔn)JTAG接口的BIST模塊可實(shí)現(xiàn)自修復(fù)和自調(diào)節(jié)，以簡化測試流程。實(shí)現(xiàn)圖5中所示的雙糾錯(cuò)ECC（DECECC）的存儲(chǔ)控制器TMC。

圖5.BIST和控制器，用于在測試和實(shí)施DECECC期間進(jìn)行自修復(fù)和自調(diào)節(jié)。

TMC實(shí)施了智能寫操作算法，該算法實(shí)現(xiàn)了偏置設(shè)置和驗(yàn)證/重試時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)較高的寫入耐久性（》1M循環(huán)）。它包含寫前讀（用于確定需要寫哪些位）和動(dòng)態(tài)分組寫入（用于提高寫吞吐量），帶寫校驗(yàn)的多脈沖寫入操作以及優(yōu)化寫電壓以實(shí)現(xiàn)高耐久性。該算法如圖6所示。

圖6.智能寫操作算法，顯示動(dòng)態(tài)組寫和帶寫驗(yàn)證的多脈沖寫。

MRAM數(shù)據(jù)可靠性

在基于自旋的STT-MRAM的許多應(yīng)用中，磁場干擾是一個(gè)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(shí)驗(yàn)表明在移動(dòng)設(shè)備的商用無線充電器的磁場強(qiáng)度為3500Oe的情況下，暴露100小時(shí)的誤碼率可以從》1E6ppm降低到?1ppm。另外在650Oe的磁場下，在125°C下的數(shù)據(jù)保存時(shí)間超過10年。

圖7.對(duì)3500Oe磁場的靈敏度降低了1E6倍。