集各种存储器优异性能于一身的MRAM

集各种存储器优异性能于一身的MRAM

作者：陈刚，飞思卡尔半导体公司高级应用工程师

MRAM即磁阻式随机访问存储器的简称。经过10多年不间断的研发，飞思卡尔公司已于2006年成功地实现了MRAM的商业化生产并开始供货。这只全球第一款正式量产并供货的MRAM的型号为MR2A16A，它采用44脚的TSOP封装，容量为4M比特。它采用一个3.3V的单电源供电，可以以高达28.5MHz的频率进行读/写操作。

图1. 飞思卡尔推出的全球首款商业生产的MRAM芯片

在当今的电子设备中，有各种各样的存储器件，包括SRAM、DRAM、闪存以及硬盘等。不同的存储器件有不同的特性，它们在使用寿命、读写速度、存储容量/密度以及使用方式和价格等各方面都存在很大的差异，是无法互相替代的。所以在一个设备中经常有多种存储器件存在。目前还没有一种存储技术能取代所有这些存储器件，成为一种通用的存储器。但MRAM的出现改变了这种状况，MRAM集成了SRAM的高速读写性能与闪存存储器的非易失性，它可以作为一个单一的存储器件，用于既需要快速、大量存储数据，又需要断电后保持数据，并可快速恢复的系统中。

磁性层1(自由层)

隧道栅

磁性层2(固定层)

磁性矢量是正向平行的(低电阻“0”)

磁性矢量是反向平行的

(高电阻“1”)

图2. MRAM存储单元的结构

MRAM之所以具有这样的性能，是由于与传统的RAM不同，它是靠磁场极化的形式，而不是靠电荷的形式来保存数据的。MRAM的存储单元的结构如图2所示，它由三个层面构成，最上面的成为自由层，中间的是隧道栅层，下面的是固定层。自由层的磁场极化方向是可以改变的，而固

定层的磁场方向固定不变。当自由层与固定层的磁场方向平行时，存储单元呈现低电阻；当磁场方向相反时，呈现高电阻。MRAM通过检测存储单元电阻的高低，来判断所存储的数据是0还是1。

图3更加清楚地展示了MRAM存储单元的结构和读写方法。图中下方左侧是一个晶体管，当它导通时，电流可流过存储单元MTJ(磁性隧道结)，通过与参考值进行比较，判断存储单元阻值的高低，从而读出所存储的数据。当晶体管关断时，电流可流过编程线1和编程线2(图中Write Line 1和Write Line 2)，在它们所产生的编程磁场的共同作用下，使自由层的磁场方向发生改变，从而完成编程的操作。

图3. MRAM的存储单元结构即读/写模式

实现MRAM可靠存储的一个主要障碍是较高的位干扰率。对目标存储单元进行编程时，非目标单元中的自由层可能会被误编程。目前飞思卡尔半导体研究人员已经成功解决了此问题。写入线1和写入线2上的脉冲电流产生旋转磁场，只有它们共同作用的单元才会发生磁化极性的改变，从而不会干扰相同行或列的其它位单元。

要进一步隔离非目标单元，使其不受干扰，飞思卡尔半导体还使用镀层包裹内部铜线的三个侧面。此镀层将磁场强度引向并集中到目标单元。这使得可以使用低得多的电流进行编程，并隔离磁场周边的通常会遭到干扰的单元。

大批量生产MRAM设备的另一个难题是由于极薄的AlOx隧道结。AlOx结厚度上的微小变化都会导致位单元电阻的很大改变。飞思卡尔半导体也解决了这一问题，从而实现了在整个晶圆表面上以及整个批量上，都能产生一致的隧道结。

飞思卡尔半导体还通过增加两个附加层来改进固定磁性层。在固定层下面增加了一层钌(Ru)。在Ru层下面又增加了另一个称为牵制层(pinning layer)的磁性层。固定层和牵制层的极性相反，将会引起很强的耦合，使固定层的极性保持锁定，因此不会在编程操作过程中引起误反转。

MRAM本身是一种非易失性存储技术，在不需要电能的情况下可以保留存储内容至少十年。MRAM 还具有无限的写周期。经研究显示，MR2A16A的存储单元在最差的操作环境下可以经受58万亿次读写周期。迄今为止，MR2A16A存储单元还没有出现过老化失效，而有关位读写周期方面的进一步研究还在继续进行。除了极高的可靠性之外，MRAM还具有许多其他方面的优势，从表1中我们可以看到MRAM和现有的一些存储技术的比较。

MRAM SRAM DRAM Flash FeRam

读速度 快 最快 中 快 快

写速度 快 最快 中 低 中

阵列效率 中/高 高 高 中/低 中

可升级能力 好 好 有限 有限 有限

单元密度 中/高 低 高 中 中

非易失性 是 否 否 是 是

耐用性 无限 无限 无限 有限 有限

单元泄漏 低 低/高 高 低 低

低电压 是 是 有限 有限 有限

复杂度 中 低 中 中 中

表1. 各种存储技术的比较

相对其它存储器MRAM有许多显著的优点。同样具有非易失性的FLASH的读写次数仅限于10K～1M次，之后位单元存储功能将丧失。而MRAM具有几乎无限次的读写周期。通常FLASH在存储器阵列的大块页面上执行编程或擦除操作，而MRAM可以在单个地址上执行写操作。

SRAM则需要电能来保持内存内容，而且SRAM单元的几何尺寸越小泄漏的影响会越大。而MRAM 是非易失性的，在系统中可以利用停电保护技术，从而使泄漏电流接近于零。

虽然铁电RAM(FRAM)也是一种非易失性RAM，但通常阵列很小，一般为4K～1M比特。阵列很小的原因在于FRAM技术的可扩展性有限，从而无法进一步缩小位单元尺寸。而MRAM可以实现较大的存储器阵列。另外，MRAM编程还比FRAM快。某些FRAM的写周期次数有限，大约为100亿次。一些FRAM也要求在读取之后刷新存储器，因为操作破坏了所读取位元的内容。

动态RAM(DRAM)需要不断刷新存储器才能保存数据。而MRAM则不需要刷新存储器。

现在，MRAM在那些要求系统崩溃时必须保存数据的应用中非常有价值。当系统产生电源故障时，有一些重要的数据需要在完全掉电前快速保存。存储在MRAM中的数据参数可以在以后用来诊断或调试造成系统失效的原因。

MRAM也非常适合于娱乐性应用，这些应用需要具有继续游戏的功能。停电时，指示正在播放媒体的时间戳的书签被快速存储到非易失性MRAM中。重新开机后就可以立即继续播放(见图4)。