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『』台积电STT-MRAM技术细节( 二 )


Rap和Rp状态的电阻分布 ， 当计入位线金属电阻和访问晶体管电阻时 ， 总的读取路径上的电阻 ， 在两个状态之间的差值减小 ， 如图6所示 。
『』台积电STT-MRAM技术细节
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图6.Rap和Rp的电阻分布间距在计入寄生电阻时变小
为了感测MTJ的电阻 ， 必须在读取期间将其两端的电压通过晶体管N1和N2钳位到一个低值 ， 以避免读取干扰 ， 并对其进行微调以消除感测放大器和参考电流偏移 。参考电阻是1T4R配置R?（R p + R ap）/ 2 + R1T ， 如图7所示 。
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图7.具有微调能力的感测放大器显示了晶体管N1和N2上的读取钳位电压 ， 以防止读取干扰 。参考R?（R p + Rap）/ 2 + R1T
如图8 ， 读取时序图和shmoo图所示 ， 这种配置在125°C时能够实现小于10ns的读取速度 。
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图8. 125°C时的读取时序图和读取shmoo图 。
MRAM写入操作
低阻态Rp和高阻态Rap的MRAM写入操作需要如图9所示的双向写入操作 。要将Rap状态写到Rp需要将BL偏置到VPP ， WL到VREG_W0 ， SL到0以写入0状态 。要写入1状态 ， 将Rap变成Rp需要反方向的电流 ， 其中BL为0 ， SL为VPP ， WL为VREG_W1 。
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图9.平行低电阻状态Rp和高电阻反平行状态Rap的双向写入
为了在260°C的IR回流焊中达到90秒的保留数据时长 ， 需要具有高能垒Eb的MTJ。这就需要将MTJ开关电流增加到可靠写入所需的数百mA 。写入电压经过温度补偿 ， 电荷泵为选定的单元产生一个正电压 ， 为未选定的字线产生一个负电压 ， 以抑制高温下的位线漏电 。写电压系统如图10所示 。
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图10显示了电荷泵对WL和BL/SL的过驱动以及温度补偿的写偏置
在较宽的温度范围内工作时 ， 需要对写入电压进行温度补偿 。图11显示了从-40度到125度的写入电压shmoo图 ， 其中F/P表示在-40度时失败 ， 而在125度时通过 。
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图11.显示写入期间温度补偿的要求 。
具有标准JTAG接口的BIST模块可实现自修复和自调节 ， 以简化测试流程 。实现图12中所示的双纠错ECC（DECECC）的存储控制器TMC 。
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图12. BIST和控制器 ， 用于在测试和实施DECECC期间进行自修复和自调节 。
TMC实施了智能写操作算法 ， 该算法实现了偏置设置和验证/重试时间 ， 以实现较高的写入耐久性（> 1M循环） 。它包含写前读（用于确定需要写哪些位）和动态分组写入（用于提高写吞吐量） ， 带写校验的多脉冲写入操作以及优化写电压以实现高耐久性 。该算法如图13所示 。


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