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在新一代記憶體技術開發競賽中，飛思卡爾半導體(Freescale)已實現了磁性隨機存取記憶體(MRAM)的商業化。該公司在今年中發佈了8年來的研究成果：4MB MR2A16A元件；其MRAM記憶體技術使用磁矩來保存位元狀態，符合商業應用需求。由於MR2A16A擁有多種獨特功能，預計將在新興記憶體應用市場中創造更大商機。

MR2A16A採用256K x 16位元配置。它是一種非同步設計，使用標準的晶片啟動、寫入啟用和輸出啟用的接腳，實現了系統的靈活性，防止匯流排衝突。獨立的位元組支援接腳實現了靈活的資料匯流排控制，能以8位元或16位元為單位讀取和寫入資料。

本質上來看，MRAM是一種非揮發性記憶體技術，在不需要電源的情況下，能將記憶體內容保留至少10年時間。而MR2A16A具有無限制寫入能力。研究顯示，即使在最惡劣的執行條件下，MR2A16A位元單元也能承受58兆次讀寫週期。迄今為止，MR2A16A位元單元從未出現耐久力方面的故障，而位元迴圈研究仍在持續進行。

MR2A16A採用0.18μm製程，以及專用的MRAM製程來建構位元單元。利用這兩種技術，總共可形成5個互連層。該晶片使用3.3V電源。它具有對稱的35奈秒的高速讀取和寫入存取時間，並實現了完全靜態執行。首款MRAM元件採用44接腳的TSOP-II封裝，符合RoHS標準。它配備了業界標準的中心電源和接地SRAM輸出接腳，能應用於各種採用相同SRAM配置的現有硬體中(圖1、表1和圖2)。

MRAM邁向商業應用

MR2A16A主要瞄準商用應用領域，在這些應用中，用戶必須在系統崩潰時保存資料。當系統遇到電源故障時，有一些關鍵的資料參數必須在所有電源斷開之前快速保存。保存在MR2A16A上的資料參數還可在事後檢索，以診斷或排除導致系統故障的問題。對於這類‘黑盒’應用來說，MR2A16A相當適用，因為它能在斷電時以SRAM速度寫入資料，同時還能在沒有任何電源的情況下保留資料。

MRAM還非常適合於那些需要‘恢復播放’功能的娛樂應用。在斷電時，指示已播放媒體的時間戳記的書籤被快速保存在非揮發性MRAM記憶體上。在重新接通電源時，它幾乎可以暫態執行恢復播放功能(圖3)。

MRAM同時可實現安全系統的加密管理功能。加密參數可以在系統關閉時快速保存和保留。同樣，遊戲機也需要在電源斷開時快速保存資料參數，以保持資料完整性。

圖1：MR2A16A封裝示意圖

圖2：MR2A16A結構圖

圖3：媒體恢復播放應用

位元單元作業

MR2A16A擁有包含一個電晶體和一個磁穿隧結(1T1MTJ)的交替(Toggle)位元單元。磁穿隧結(MTJ)處於MRAM位元單元的核心，它由位於兩個磁層之間的一個薄氧化鋁(AlOx)介電層組成，每個磁層都擁有一個相關的磁極。頂部磁層稱為自由層，因為它可以自由轉換極性；底部磁層稱為固定層，因為它的極性是固定的，不能更改。

自由層的極性決定了位元的狀態是‘0’還是‘1’。當自由層的極性和固定層的極性相同時(指向同一方向)，通過MTJ Stack的阻力就很小(參見圖4a)。

圖4：MTJ極性相同－阻力小

當自由層的極性和固定層的極性相反時(指向相反的方向)，通過MTI堆疊的阻力就非常大(參見圖4b)。

正是通過MTJ Stack的阻力大小決定了位元單元的讀數是‘0’還是‘1’。

在編程作業中，自由層的極性可以切換到兩個方向中的任何一個。極性通過MTJ頂部和底部垂直方向的銅互連層進行設置。垂直互連的電流產生一個磁場，該磁場可將自由層的極性方向切換為相反方向(參見圖6)。

要成為一種可靠的記憶體，MRAM商品化的主要障礙是其位元干擾率很高。在對目標位元進行編程時，非目標位元中的自由層可以隨意編程。透過建構交替位元單元，飛思卡爾研究人員已經克服了這一問題。當位元的狀態切換時，交替 位元單元就在相同方向上旋轉磁矩。寫入線1和寫入線2上的不穩定電流脈衝就會旋轉極性，而不會干擾目標位元同一行或同一列上的位元。

為進一步讓非目標位元免受干擾，飛思卡爾在銅纜的三側使用一個塗敷層將銅互連層包圍起來。該塗敷層可以引導和集中指向目標位元單元的磁場強度。如此就能使用更低的電流，將相鄰位元與磁場隔離(在正常情況下磁場會誘發干擾)，因而對目標位元進行編程。

在量產MRAM元件前，還面臨由極薄的AlOx(氧化鋁)穿隧隔離層所導致的問題。AlOx中的厚度變化會導致位元單元阻力產生很大差異。飛思卡爾已經解決了AlOx厚度變化問題，在整個記憶體陣列、整個晶圓表面和所有量產產品中，穿隧隔離層都是相同的。

飛思卡爾還添加了兩個額外的層，因而改變了固定磁層方法。固定層下方為Ruthenium (Ru，釕)層，在釕層下方則是另外一個稱為釘扎層的磁層。固定層和釘扎層的極性相反，因而產生很強的耦合效應。這種耦合使固定層的極性保持固定。這樣，在編程作業過程中，它就不會因為突然施加磁場而發生意外翻轉(圖7)。

圖7：釘扎層

與其他記憶體的比較

與其他目前市場上通用的記憶體進行比較，MRAM具有許多優勢(表2)。

表2：目前市面上主流記憶體技術概述

快閃記憶體：快閃記憶體技術使用保存在一個浮動多晶矽(浮動閘)上的電荷，該浮動閘覆蓋在閘氧化物上。快閃記憶體位元單元的編程需要一個高電壓場，將電子的速度提高到足夠快，以便電子能克服矽物質和浮動閘之間的氧化物的能量障礙。這就使電子能夠穿過氧化物，為浮動閘充電，而浮動閘又會改變位元單元電晶體的電壓閾值。電子反覆通過氧化物會導致氧化物逐漸消耗。因而，快閃記憶體在經過1萬~100萬個寫入週期後就不能再使用。隨著連續的寫入作業，有些快閃記憶體最快可在10天內損耗。而MRAM卻能忍受無限數量的寫入週期，因為它沒有充電或放電過程。在編程過程中，磁極是旋轉的，不會產生破壞，也不會降低執行性能。

在編程過程中，快閃記憶體要求很高的電壓，以吸引電子穿過氧化物。MRAM則使用電流來產生磁場，對自由層進行編程。一般來說，快閃記憶體在大的記憶體陣列上進行編程或擦除作業。MRAM則能在單個地址上執行寫入作業。

SRAM：SRAM需要電源來保留其記憶體內容，因為它使用了CMOS邏輯電平的電晶體。MRAM記憶體內容保存在自由磁層的極性內，由於該層是磁性的，因此能在無需電源的情況下保留其狀態。

隨著技術的發展，SRAM單元日益變小，勢必會產生更多泄漏。對各個單元來說，這個泄漏很小，但是當記憶體元件中的單元增加到數百萬個時，泄漏就相當大了。隨著技術日益使SRAM單元變小，這種效應還將繼續成長。由於MRAM的非揮發性，可以在系統中採用斷電技術，使漏電流接近為零。

電池供電SRAM：電池供電SRAM由SRAM單元和電池組成。該記憶體是非揮發性的，因為電池可以提供電源，以保留記憶體內容。相反，MRAM則不需要電池來保留資料，MRAM的讀寫速度高於電池供電的SRAM。由於MRAM不需要電池，因而它也不存在電池組件降低可靠性的固有問題，因而提高了可靠性，消除了與電池處理有關的環境問題。

EEPROM：與MRAM相較，EEPROM編程速度要慢得多，寫入次數也有限。

NVSRAM：NVSRAM(非揮發性SRAM)將SRAM和EEPROM結合在一起。當電源丟失時，NVSRAM將資料從SRAM保存到EEPROM上。然而，將資料傳輸到EEPROM的速度非常慢，因此NVSRAM上需要一個大型外部電容器以保持電源，同時進行資料傳輸。MRAM具有寫入作業速度更快的優勢，可在系統正常執行期間寫入資料。因此，當電源丟失時僅需傳輸最少的資料。採用MRAM的應用可在無需使用大型外部電容器的情況下，安全地將資料寫入記憶體，進而從中受益。

FRAM：Ferroelectric RAM(鐵電記憶體)是一種非揮發性RAM，一般來說，它的陣列規模比較小，只有4KB到1MB，原因在於FRAM技術的可擴展性非常有限，進一步壓縮了位元單元大小。而MRAM就沒有受到與FRAM相同的可擴展性限制，因此可以實現更大的記憶體陣列。

MRAM的編程速度比FRAM快。有些FRAM的讀寫次數限制在100億次週期。此外，由於讀取作業會破壞正在讀取的位元單元內容，因此有些FRAM也要求在執行讀取作業後刷新記憶體。

DRAM：動態RAM要求頻繁刷新記憶體以保留資料，而MRAM則不要求刷新記憶體。

MRAM技術未來展望

預計MRAM將在汽車領域獲得廣泛使用。使用MRAM的汽車碰撞記錄器將能在出現交通事故時收集和保存更多資料。在這種應用中，記憶體的內容必須在碰撞過程中(碰撞時電源通常被中斷)倖存下來。保留在碰撞記錄器中的資料可以用於確定事故的起因或車輛故障。

使用感測器的汽車應用從MRAM技術中受益匪淺。由於感測器能夠連續不斷地向記憶體中寫入資料，因此對於快閃記憶體而言，跟上資料寫入速度會有一定困難。新型安全氣囊系統上具有感測器，用於檢測和記錄旅客重量、與車輛上其他安全設備的互動以及受影響的程度。

其他一些汽車系統，如里程表、胎壓系統和ABS煞車系統都需要頻繁地向記憶體寫入資料。隨著頻繁的寫入作業，很容易超出快閃記憶體的寫入/擦除功能限制，因而導致記憶體損耗。而MRAM則具備無限寫入週期能力，可提供更可靠的系統，特別是在安全氣囊和ABS等關鍵任務應用中。

近年來，人們對MRAM在軍事應用中的使用也產生了一些興趣。軍事應用中的很多系統都依賴電池供電的SRAM。這些應用具有電池帶來的固有可靠性問題。軍事部門已經意識到MRAM是一種更可靠的替代產品，Honeywell已經授權飛思卡爾的MRAM技術在軍事和航太應用領域內使用。

隨著MRAM技術的改進，嵌入式系統在架構方面要經歷更為劇烈的變化。目前為止，MRAM是取代嵌入式微控制器中RAM+快閃記憶體方案的最具潛力商品。一般來說，RAM用於資料儲存，快閃記憶體則用於程式儲存。MRAM將能取代這兩種記憶體，實現單記憶體架構。MRAM還可以取代微控制器中的晶片專用ROM程式碼，以便為這些程式碼提供快速的現場可編程升級。

在大型系統中，微控制器與提供快速讀寫功能的RAM記憶體進行互動。DRAM主要作為應用程式的臨時記憶體，而硬碟則用來保存應用軟體和資料的非揮發性資訊，但它的讀寫速度很慢。一旦MRAM取代了所有這些記憶體元件，我們就能即時引導PC和其他系統從中斷的地方恢復執行。MRAM的這些功能可為這種技術創造更多商機。

目前市場上仍未出現真實的通用記憶體。所有記憶體在寫入迴圈次數、讀寫速度、資料保留、陣列密度、功耗和價格方面各具優劣勢。目前市場上的所有記憶體都有其固有的侷限性，因此不可能同時具備所有類型記憶體的最佳特性。然而，隨著技術的進一步改進，MRAM將憑藉其優勢，在成為通用記憶體方面佔據獨特的優勢地位。

耐久性研究

MR2A16A位元耐久性的研究目的是確定MRAM位元單元是否受到耐久性限制。這種經驗式研究還用於確定重覆使用記憶體是否會對軟錯誤率(SER)產生負面影響。

讀寫週期測試是在Burn-in(老化試驗)系統中進行的，很多單元能夠同時執行。功能測試和軟錯誤率資料的收集則在ATE上進行。

該元件在4MHz(250奈秒)和90℃的條件下執行。MR2A16A的最高頻率為28.5MHz (35ns)。商用產品的最高週邊溫度規格為70℃。根據計算結果，若在4MHz頻率下執行，其執行頻率會增加到28.5MHz，則MR2A16A接面溫度將會提高20℃。所以，儘管70℃是規定的最高溫度，但研究實際上是在90℃溫度下進行的。

迴圈壓力、功能測試、SER資料收集都在最壞的標稱電壓和溫度執行環境下進行。這時，我們研究的元件忍耐了58兆(5.8E13)次讀寫週期，而沒有出現任何故障。該研究還在進行中，旨在確定能在多大程度上為MR2A16A 1T1MTJ位元單元的寫入週期收集經驗資料。

作者：Tom Lee

飛思卡爾半導體公司