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非易失性MRAM讀寫操作
來源：宇芯有限公司 日期：2020-07-01 10:53:10
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，在低功耗待機模式（LPSB）下，其在25C時的泄漏電流小于55mA，相當于每比特的漏電流僅為1.7E-12A。對于32Mb數(shù)據(jù)，它具有100K個循環(huán)的耐久性，而對于1Mb的數(shù)據(jù)可以>1M個循環(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，低能耗喚醒以實現(xiàn)高速讀取訪問，它采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，一個開關用于芯片電源VDD，另一個開關用于從低壓差（LDO，LowDrop-Out）穩(wěn)壓器提供VREG的穩(wěn)定電壓。首先打開VDD開關以對WL驅(qū)動器的電源線進行預充電，然后打開VREG開關以將電平提升至目標電平，從而實現(xiàn)<100ns的快速喚醒，同時將來自VREGLDO的瞬態(tài)電流降至最低。
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?/div>
為了在260°C的IR回流焊中達到90秒的保留數(shù)據(jù)時長，需要具有高能壘Eb的MTJ。這就需要將MTJ開關電流增加到可靠寫入所需的數(shù)百mA。寫入電壓經(jīng)過溫度補償，電荷泵為選定的單元產(chǎn)生一個正電壓，為未選定的字線產(chǎn)生一個負電壓，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WL和BL/SL的過驅(qū)動以及溫度補償?shù)膶懫?/div>
在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時，需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度時通過。
圖4.顯示寫入期間溫度補償?shù)囊蟆?/div>
具有標準JTAG接口的BIST模塊可實現(xiàn)自修復和自調(diào)節(jié)，以簡化測試流程。實現(xiàn)圖5中所示的雙糾錯ECC（DECECC）的存儲控制器TMC。
TMC實施了智能寫操作算法，該算法實現(xiàn)了偏置設置和驗證/重試時間，以實現(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）和動態(tài)分組寫入（用于提高寫吞吐量），帶寫校驗的多脈沖寫入操作以及優(yōu)化寫電壓以實現(xiàn)高耐久性。該算法如圖6所示。
MRAM數(shù)據(jù)可靠性
在基于自旋的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，實驗表明在移動設備的商用無線充電器的磁場強度為3500Oe的情況下，暴露100小時的誤碼率可以從>1E6ppm降低到?1ppm。另外在650Oe的磁場下，在125°C下的數(shù)據(jù)保存時間超過10年。
宇芯有限公司自成立以來，我們專注于代理國內(nèi)外各大知名品牌的半導體元器件，代理品牌有NETSOL、JSC、everspin代理、來楊Lyontek、ISSI、CYPRESS等多個品牌總代理資質(zhì)，主要產(chǎn)品線為sram、mram、psram等其他存儲器芯片，致力于為客戶提供具有競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品，是一家專業(yè)提供存儲方案解決商。
MRAM讀取操作
為了從LPSM快速，低能耗喚醒以實現(xiàn)高速讀取訪問，它采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，一個開關用于芯片電源VDD，另一個開關用于從低壓差（LDO，LowDrop-Out）穩(wěn)壓器提供VREG的穩(wěn)定電壓。首先打開VDD開關以對WL驅(qū)動器的電源線進行預充電，然后打開VREG開關以將電平提升至目標電平，從而實現(xiàn)<100ns的快速喚醒，同時將來自VREGLDO的瞬態(tài)電流降至最低。
圖1.具有兩步喚醒功能的細粒度電源門控電路（每128行一個）。
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?/div>
為了在260°C的IR回流焊中達到90秒的保留數(shù)據(jù)時長，需要具有高能壘Eb的MTJ。這就需要將MTJ開關電流增加到可靠寫入所需的數(shù)百mA。寫入電壓經(jīng)過溫度補償，電荷泵為選定的單元產(chǎn)生一個正電壓，為未選定的字線產(chǎn)生一個負電壓，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WL和BL/SL的過驅(qū)動以及溫度補償?shù)膶懫?/div>
在較寬的溫度范圍內(nèi)工作時，需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度時通過。
圖4.顯示寫入期間溫度補償?shù)囊蟆?/div>
具有標準JTAG接口的BIST模塊可實現(xiàn)自修復和自調(diào)節(jié)，以簡化測試流程。實現(xiàn)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，用于在測試和實施DECECC期間進行自修復和自調(diào)節(jié)。
TMC實施了智能寫操作算法，該算法實現(xiàn)了偏置設置和驗證/重試時間，以實現(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）和動態(tài)分組寫入（用于提高寫吞吐量），帶寫校驗的多脈沖寫入操作以及優(yōu)化寫電壓以實現(xiàn)高耐久性。該算法如圖6所示。
圖6.智能寫操作算法，顯示動態(tài)組寫和帶寫驗證的多脈沖寫。
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，實驗表明在移動設備的商用無線充電器的磁場強度為3500Oe的情況下，暴露100小時的誤碼率可以從>1E6ppm降低到?1ppm。另外在650Oe的磁場下，在125°C下的數(shù)據(jù)保存時間超過10年。
圖7.對3500Oe磁場的靈敏度降低了1E6倍。
關鍵詞： MRAM
宇芯有限公司自成立以來，我們專注于代理國內(nèi)外各大知名品牌的半導體元器件，代理品牌有NETSOL、JSC、everspin代理、來楊Lyontek、ISSI、CYPRESS等多個品牌總代理資質(zhì)，主要產(chǎn)品線為sram、mram、psram等其他存儲器芯片，致力于為客戶提供具有競爭優(yōu)勢的產(chǎn)品，是一家專業(yè)提供存儲方案解決商。
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