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)，由兩個反向?qū)实蔫F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)的能力并不會因為它的混合式結(jié)構(gòu)而受到影響。對準和反對準只取決于MTJ結(jié)構(gòu)兩側(cè)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”—凈外磁場為零。這避免了磁場交疊而導(dǎo)致的可擴展性的問題。

SAF對于附近的導(dǎo)線上流過的電流所產(chǎn)生的磁場所作出的響應(yīng)迥異于簡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)。這就使得以步進方式切換自由的SAF場(而不是以莽力顛倒其朝向)提供了可能。這種步進旋檔式切換不僅所需要的能量顯著低于交叉點開關(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題。圖3示出了這種磁場切換控制技術(shù)。在這種方案中，“半選中”的單元僅旋轉(zhuǎn)45度，而遠遠不會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斷電時會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)勢壘的作用，而不是削弱這種勢壘，因為一個所施加的力可以防止SAF單元在選擇序列中作絲毫進一步的旋轉(zhuǎn)。

圖3示出了T2到T3時鐘周期所出現(xiàn)的效應(yīng)。WL上的電流防止軸線作出絲毫的進一步的旋轉(zhuǎn)(在通過周期T2中的“硬軸”線之后)，必須在此后得以降低(在T3周期)以便讓旋檔的運動繼續(xù)下去。事實上，只要線通以電流，單元的軸向就會停滯在某一角度上而不會出現(xiàn)移動。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顯著的特征是，將一個1或0寫入某個單元，對其行為特性并不會產(chǎn)生任何影響。無論單元采用兩個對準方向中的哪一個，施加一串相同的寫入脈沖序列將使之旋轉(zhuǎn)180度到另一個對準方向。這一特性的優(yōu)點在于消除了采用雙向位線的必要性。不利之處就在于在對每一位存儲進行寫入前必須進行讀出操作，以確定它目前的對準方向。如果需要切換方向的話，這一復(fù)雜性就會使寫入周期變慢，但它避免了將旋檔動作一分為二的必要。在一個交叉點陣列中，同樣也沒有必要用相同的量值來覆蓋一個0或者1數(shù)據(jù)，但是，因為覆蓋一個交叉點單元不會帶來損害，因此在寫入新的值之前無需確定單元內(nèi)現(xiàn)有的值。相比之下，對處于0或者1狀態(tài)的單元進行旋檔式操作始終會寫入相反的值。于是，旋檔操作不能盲目進行——如果單元所儲存的值與要寫入的值一致，則根本就不會進行寫入操作。

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(shè)計通過單個控制(或者“隔離”)晶體管將每個MRAM單元連接起來，而這些晶體管引導(dǎo)讀取電流流過單元，故Freescale將它稱為一個1T1MTJ位單元設(shè)計。

MRAM位單元的一個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。Cypress Semiconductor于2005年1月提供樣品的一種MRAM芯片，就將每個MTJ用兩個晶體管耦合起來，其中一個用于控制對單元的讀取，另一個用于控制對其的寫入。這種設(shè)計也是通過消除了所有“半選中的”單元來避免了對交叉點的連帶寫入。Cypress的雙晶體管設(shè)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