IEDM 2019 STT-MRAM'ın öne çıkan yeni özellikleri
IEDM 2019 bu yıl toplantı Bu teknolojinin ilerlemesini anlatan yedi önemli STT-MRAM belgesi vardır. Şimdi giriş şu şekildedir:
1. Endüstriyel uygulamalarda güvenilir 1 Gb bağımsız dönüş torku MRAM
Sanjeev Aggarwal ve diğerleri, Everspin Technologies, Inc.
Everspin, 28nm bağımsız 1Gb STT-MRAM çipini göstererek uzun süredir MRAM ürün geliştirmede lider olmuştur. Bu makale, -35C ila 110C endüstriyel sıcaklık aralığında kullanılabilen, Şekil 1'de gösterilen 28nm CMOS ile 1Gb 1.2V DDR4STT-MRAM'ın ticarileştirilmesini ve mükemmel performansını açıklamaktadır.
Şekil 1. Everspin 40nm1.5nm DDR3256 Mb ve 1.2V DDR428nm 1Gb (alt) STT-MRAM ürünlerinin üstten görünümü.
MRAM cihazı, Şekil 2'de gösterildiği gibi, iki BEOL metal katmanı arasında manyetik programlanabilir bir direnç olarak uygulanır.
Şekil 2: pMTJ bitlerinin 1 Gb dizisindeki entegrasyonunu ve çipin BEOL metalizasyonundaki bitişik mantık alanlarını gösterir.
Manyetik tünel bağlantısı (MTJ), yüksek dikey manyetik anizotropiye sahip sabit bir manyetik katman, bir MgOx tünel bariyeri ve bir serbest manyetik katmandan oluşur. Kritik voltaj uygulandıktan sonra, spin-polarize elektronların akımı, serbest katmanın polarizasyonunu MgOx tünelleme bariyeri boyunca paralel veya anti-paralel manyetik duruma ters çevirir, sırasıyla okuma akımına düşük veya yüksek direnç gösterir. Serbest katman, farklı uygulamalar için optimize edilebilir. Yazma işlemi sırasında, hiçbir geri tepme veya anahtarlama anormalliği gözlemlenmedi, bu da -35C ila 110C endüstriyel uygulama sıcaklık aralığı, anahtarlama güvenilirliği penceresinin büyük olduğunu gösterir. DIMM döngüleri, dayanıklılık ömrünün 2e11 (2x10 ila 11. kuvvet) döngüden daha fazla olduğunu gösterir. Şekil 3, 10 yıl boyunca 85 ° C'de veya 3 ay boyunca 100 ° C'de veri saklama ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Şekil 3. 1 Gb'lik bir kalıp grubu için sıcaklığa karşı veri tutma (DR) pişirme arıza süresi. Düz çizgi uyumu 85 ° C'de 10 yıllık bir DR'yi ve 100 ° C'de 3 aylık bir DR'yi temsil eder.
2. 28nm FDSOI teknolojisini kullanan 1 Gb yüksek yoğunluklu yerleşik STT-MRAM
Lee ve diğerleri, Samsung Electronics R&D Center
Yayınlanan 8Mb 28nm FD-SOIeMRAM ürününe dayanan Samsung, -40 ° C'den 105 ° C'ye kadar okuma ve yazma işlemlerini gösteren gömülü 1Gb ürününün lansmanını duyurdu. Yüksek performans ve% 90'ın üzerinde sabit verim elde etmek için, sıcaklık dengelemeli bir yazma sürücüsü ve yazma asistanı uygulanır. 1-10 döngüye kadar geliştirilmiş dayanıklılık elde ederek eMRAM uygulamalarını eDRAM değişimine genişletir. Yüksek verim sağlamak için 2b ECC uygulandı. MTJ yığını, MgO / CoFeB'ye dayalıdır. -40 ° C ile 105 ° C çalışma sıcaklığında, 1.0V çalışma voltajı ve 50ns okuma darbesi ile 105 ° C'de 10 yıl muhafaza edilebildiğini ve 1e6 dayanıklılığa sahip olduğunu kanıtlıyor. Birim hücre boyutu 0.036um2'dir. MTJ yığın projesi, TMR'nin% 200'ü aşmasını sağlar ve MTJ verimliliğini artırır (tutma kuvveti anahtarlama akımına bölünür). Şekil 4, MTJ hücre dizisinin dikey mimarisini ve TEM resmini göstermektedir.
Şekil 4. MTJ hücre dizisinin dikey yapısı ve TEM görüntüsü, burada alt elektrot kontağı (BEC) 28 nm FDSOI mantık işlemine gömülüdür.
Şekil 5'teki oda sıcaklığı shmoo grafiği, 1.00V'luk bir VDD ürün spesifikasyonunu ve 50ns'lik bir okuma darbesini gösteren performansı gösterir.
Şekil 5. Oda sıcaklığındaki okuma koşullarına göre 1 Gb yonganın Shmoo diyagramı.
Şekil 6, 10 yıllık veri saklama sıcaklığı ve karşılık gelen dayanıklılıkla farklı ürünler üretme sürecinin ayarlanabilirliğini göstermektedir.
Şekil 6. Dayanıklılık ile 10 yıllık veri saklama sıcaklığı özellikleri arasındaki ilişki. Verimliliği artırarak, aynı dayanıklılık döngüsü sırasında tutma sıcaklığı artırılabilir.
3. Endüstriyel sınıf MCU ve IOT uygulamaları için 22nm FD-SOI gömülü MRAM teknolojisi
B. Naik ve diğerleri, GlobalFoundries
2b ECC ile 40Mb, 0.8V gömülü MRAM, 5 kat lehim yeniden akış, 400 ° C BEOL akışkanlığı ve 1e6 dayanıklılık döngüsü ile -40 ° C ila 125 ° C sıcaklık aralığında güvenilir çalışma sağlar ve 600 Oe yedek mıknatısı, 105 ° C'de 10 yıl dayanıklılığa sahiptir. Yüksek manyetik direnç (MR) oranı (Rap-Rp) / Rp, burada Rp paralel direnç veya "0" durumu, Rap, anti-paralel direnç veya "1" durumu ve kalite faktörü MR / s (Rp) direnç dağılımı şekilde gösterilmektedir. 7 gösterilmektedir.
Şekil 7 Rp ve Rap'in bit hücresi direnç dağılımı 28 s (Rp) aralığını göstermektedir.
Şekil 8, 37 tikte AP- gösterir > P ve P- 28 tıklama > AP'nin shmoo verisi, -40C'de 0.8V'de 200ns'lik yazma darbesi 200ns'dir.
Şekil 8. 200ns yazma darbesinde, AP- 37 işarette > P shmoo yaz, 28 tik ile P yaz > AP shmoo.
Okunan shmoo, 19ns okuma darbesi altındaki işlemi gösteren Şekil 9'da gösterilmektedir.
Şekil 9. 19ns'de okuma işlemini gösteren shmoo'yu okuyun.
105 ° C'de 10 yıl boyunca beklenen bekleme manyetik alan bağışıklığı 600 Oe'dir. Şekil 10, 10 yıllık bağışıklık için bekleme manyetik alanı ile sıcaklık arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Şekil 10. Bekleme sırasında manyetik alan bağışıklığı ile sıcaklık arasındaki ilişki.
Aktif modda, 500 Oe'lik çap manyetikliği dayanıklılık limiti ile sınırlıdır.
4. L4 önbellek uygulamaları için STT-MRAM sürecinin ve performansının 2MB dizi düzeyinde gösterimi
Juan G. Alzate ve diğerleri, Intel Corporation
2MB STT-MRAM dizisinin L4 önbellek düzeyi uygulamalarının performansını ve güvenilirliğini gösterir. Bu, endüstriyel çalışma sıcaklığı aralığında yüksek yoğunluk, yüksek bant genişliği ve yüksek dayanıklılık gerektirir. Tablo I, STT-MRAM'ın L4 önbellek uygulamasının gerektirdiği özellikleri göstermektedir.
Tablo I. L4 önbellek uygulamalarında STT-MRAM için hedef spesifikasyonlar.
SRAM veya eDRAM'i değiştirmek için, 256 GB / sn'den büyük bir bant genişliği ve 10Mb / mm2'den büyük bir dizi yoğunluğu gereklidir. Şekil 11'de gösterilen yoğunluk gereksinimi, bit hücresinin aralığını ve erişim transistörünün boyutunu sınırlar, böylece STT yazımı için mevcut maksimum akımı sınırlar ve bu nedenle veri tutma süresi, 110 ° C'lik maksimum çalışma sıcaklığında * s ile sınırlıdır.
Şekil 11. eNVM uygulamalarıyla karşılaştırıldığında, L4 önbelleği daha küçük bir bit hücre aralığı gerektirir.
Öte yandan, dayanıklılığın ECC'nin düzeltilebilir aralığı içinde kalmasını sağlamak için maksimum yazma akımını sınırlamak için 1e12 döngülerin yazma dayanıklılığı gereklidir. 100 dpm'den daha düşük 1 Gb dizinin kabul edilebilir ECC düzeltilebilir bit hata oranını (BER) elde etmek için (1 Gb dizinin 1e-4 arıza olasılığı), gerekli sabit ve rastgele yazma hata oranı (WER) hataları şekilde gösterilmiştir. 12 gösterilmektedir. İki farklı mimari, üçlü hata düzeltmeli (TEC) 128b kelime ve çift hata düzeltmeli (DEC) 512b kelime. 1e12 yazma olayları için rastgele BER'in 1e-8 ila 1e-10 olması gerekir.
Şekil 12. Sabit konum arızaları (kesikli çizgiler) ve rastgele arızalar (kararlı) için izin verilen BER için ECC hesaplamaları. 1Gb dizi hatası olasılığı (ECC düzeltilemez), 128b kelime (mavi) ile üçlü hata düzeltmesi (TEC) veya Üç hata düzeltmeli 512b kelime çift hata düzeltme (DEC) (turuncu).
55nm MTJ, güvenilir yığın optimizasyonu ve reaktif iyon aşındırma (RIE) işlemleri gerektirir. Arızalı bulunan arızalar, direnci ve TMR'yi azaltan kısa devre modlarıdır (sert kısa ve yumuşak kısa). Zaman = 0'daki başarısız bit dahil edilmiştir. Kabul edilebilir WER seviyeleri ve daha kısa yazma darbeleri, Şekil 13'te gösterildiği gibi, mevcut sürücü akımı ve dayanıklılık hususlarıyla sınırlı olan MTJ'yi aşırı hızlandırmalıdır.
Şekil 13. Yazma akımı dağıtımı, mevcut sürücü akımı ve dayanıklılık gereksinimleri ile okuma bozukluğu gereksinimleri ile sınırlıdır.
Minimum akım, paraziti okumak için gereken akımdır ve sıcaklık azaldıkça artar. Şekil 14, NVM uygulamasını ve optimize edilmiş L4 önbellek cihazını (10ns yazma darbeli) ölçeklendirilmiş MTJ yazma hata oranı eğrisini gösterir, mavi renkte gösterilmiştir.
Şekil 14. Optimize edilmiş L4 önbellek MTJ'sini mavi olarak gösteren, farklı cihazların yazma hata oranı (WER).
WER'in temel koşulu -10 ° C'dir, ancak sıcaklık arttıkça MJT'nin yazılması daha kolay hale gelir ve VCC, daha yüksek sıcaklıklarda azaltılabilir. Kusurların termal aktivasyonu MgO dielektrik bozulmasına neden olabileceğinden, dayanıklılık testi 105 ° C'de gerçekleştirildi.
5. Çip üstü hibrit belleğin yeni entegrasyonu için STT-MRAM'ı kullanmak için uçucu olmayan modülasyonun kullanılması
Samsung Electronics Corporation Yarı İletken Ar-Ge Merkezi J.-H Park, vb.
Samsung, Şekil 15'te gösterildiği gibi, 28nm FD-SOI mantığına sahip tek bir 8Mb yonganın tek bir alanında yüksek tutma veya yüksek hızlı STT-MRAM hibrit belleğe sahip olmanın mümkün olduğunu belirtti.
Şekil 15. Modüle edilmiş uçucu olmayan bir MTJ dizisine sahip iki farklı alt bölgeye sahip olabilen bir yonga üstü hibrit belleğin şematik diyagramı: Bölge I, yüksek hızda çalışma için gevşek uçuculuğa sahiptir ve Bölge II, Yüksek tutma gereksinimlerini karşılamak için uçucu değildir.
220 ° C'de 10 yıl tutma gösterir. Yüksek hızda çalışma için, TMR, kısa arıza olasılığı, aşırı yük ve yazma hatası oranlarında iyileştirmeler yapılmıştır. MTJ'nin dikey manyetik anizotropisinin (PMA) boyutunu, biriktirme sürecini değiştirmeden ayarlayarak, seçilen alanın uçuculuğu kontrol edilebilir. Şekil 16, 10 yıllık veri tutma sıcaklığı ile MTJ anahtar akımı arasındaki ilişkiyi gösterir.
Şekil 16. 10 yıllık veri tutma sıcaklığı ile MTJ anahtar akımı arasındaki ilişki.
Yüksek hızda çalışma elde etmek için geniş bir okuma ve yazma marjı gereklidir. Düşük RA durumunda, kısa devre arızalarını en aza indirerek, TMR artırılarak okuma marjı iyileştirilebilir. İki farklı MTJ sürecini, İşlem A ve İşlem B'yi karşılaştırın. Daha yüksek arıza voltajı (Şekil 17'de gösterildiği gibi), daha düşük anahtarlama voltajı, okumalar ve yazmalar arasında daha büyük voltaj marjı ve daha sıkı dağıtım, daha büyük yazma marjı sağlayabilir.
Şekil 17. Kırılma gerilimi ile MTJ direnci arasındaki ilişki.
Şekil 18, sırasıyla proses A ve proses B'nin iki MTJ'si ile entegre edilmiş 8Mb eMRAM makrosunun yazma shmoo diyagramını gösterir. Daha kısa darbe genişliği koşulları için, proses A'dan geçen MTJ, Çok Daha az yazma hatası.
Şekil 18. İki farklı işlemin (süreç A (a) ve süreç B (b)) oda sıcaklığı yazma grafiklerini darbe genişliği ve bit hat voltajına göre değişir.
Tek bir çipte yüksek derecede ayarlanabilir performans çeşitliliğini gerçekleştirerek, sanki birden fazla heterojen bellek gömülmüş gibi, aynı çipte yüksek performanslı ve yüksek tutmalı anılar gerçekleştirilebilir ve böylece bir hibrit bellek oluşturulur. Bu, MTJ'nin uçuculuğunu kontrol etmek için PMA enerjisini modüle ederek yapılır.
6. Döndürme aktarım torku MRAM, güvenilir bir 2ns yazma özelliğine sahiptir ve son önbellek uygulamaları için uygundur
IBM-Samsung MRAM Alliance
Düşük yoğunluklu üç terminalli SOT (Spin Orbit Transport) ekipmanıyla karşılaştırıldığında, ekipmanın her iki uçtaki güvenilir 2ns ve 3ns anahtarlaması, son seviye önbellek (LLC) uygulaması için hızlı ve yoğun MRAM ürünlerini gerçekleştirebilir. 49nm CD MTJ kullanan STT-MRAM,% 100 WER verimi ile 1e-6 yazma hatası alt sınırında güvenilir 2ns anahtarlama sağlar.
Şekil 19'da, iki farklı serbest katman tasarımı için Yığın1 ve Yığın2, 60 dakika boyunca 400 ° C'de tavlama yapıldığında, darbe genişliği azaldıkça anahtarlama akımı artar.
Şekil 19'da gösterilmektedir. Anahtarlama akımı ve farklı serbest katman malzemelerinin iki kümesinin darbe genişliği arasındaki ilişki, sırasıyla, termal olarak etkinleştirilmiş uzun darbe genişliği durumunu ve kısa darbe genişliği presesyon anahtarlama durumunu gösterir.
10ns ve üzeri uzun yazma darbeleri için, anahtar termal olarak etkinleştirilecektir, ancak 10ns ve altındaki kısa darbeler için, elektron spin açısal momentumunun korunumu tarafından yönetilen bir presesif anahtarlama durumundadır. 10ns'den daha düşük bir yazma darbesi gerektiren LLC uygulamaları, serbest katmanın malzeme özellikleri tarafından belirlenen bir presesyon anahtarlama modunda çalışır. Daha kısa darbe genişliği, anahtarlama akımında keskin bir artış, WER eğiminde bir azalma ve WER anormalliklerinin oluştuğunu gösterir ve bunların tümü malzeme optimizasyonu ile çözülebilir.
Nominal boyutu 49 nm olan, 2 ns'lik bir yazma darbesine sahip serbest katman I-tipi ile üretilen 254 cihazın medyan enerji bariyeri Eb = 55kT, Şekil 20'de gösterildiği gibi gerekli 1e-6 WER substratına ulaştı. CD = 49nm ve yazma darbesi 2ns olan tek bir cihaz 1e-11 WER sınırına ulaşır.
Şekil 20 (a), gerekli 1e-6 hata katına ulaşmak için yazma geriliminin bir fonksiyonu olarak WER'i gösterir ve 1.7ns'lik bir FWHM ile 2ns darbesinin şeklini ve süresini gösterir.
Daha küçük 36nm MTJ testinde, 3ns yazma darbesi ile test edilen 256 aygıtın tümü 1e-6 hata tabanına ulaştı ve 2 ns yazma darbesi ile test edilen 256 aygıtın 242'si W0 çalışması için 1e-6'ya ulaştı Hata tabanı ve 228 gerekli hataya ulaştı. W1 çalışma katı. Referans katmanın WER'inde geri tepme adı verilen bir anormallik gözlenir.
7. 22nm STT-MRAM, reflow ve otomotiv uygulamaları için yüksek verim, güvenilirlik ve anti-elektromanyetik girişim performansı ve koruma seçenekleriyle kullanılır
J. Gallagher ve diğerleri
Farklı saklama ve performans gereksinimlerini karşılamak üzere 22nm 32Mb yerleşik STT-MRAM üretmek için 0.046um2 hücre alanını (farklı CD'ler için MTJ) kullanın. Bu teknoloji, yeniden akış lehimleme kapasitesinin 6 katını ve -40C ile 150C arasında çalışmayı destekler ve veri saklama süresi 10 yılı aşar. En son teknoloji, her bir wafer sıfır için medyan t0 yonga biti hatasını yapar.Bunun nedeni, ana iyileştirmenin MTJ kısa devre hatasını ortadan kaldırmak olmasıdır. Şekil 21'de gösterildiği gibi, TMR sıcaklıkla azaldığından, 150 ° C'de yüksek verim elde etmedeki temel zorluk okuma penceresini azaltmaktır.
Şekil 21 TMR düşüşünün neden olduğu azaltılmış okuma penceresi
Manyetik anahtarın rastgele doğası nedeniyle, ilk darbenin güç tasarrufu sağlamak ve dayanıklılık stresini en aza indirmek için daha düşük genlikte bir yazma darbesi içerdiği bir yazma doğrulama-yazma işlemi kullanılır. Birden fazla düşük genlikli çekim yazmayı başarıyla tamamlayamazsa, yüksek verim elde etmek için son yüksek genlikli yazma darbesi gerekebilir. 25 ° C'de, tüm hücreler tek seferde başarıyla yazılırken, -40 ° C'de zarların% 0-15'inin ikinci bir atışa ihtiyacı vardır. Yeniden akış lehimlemenin güvenilirliği, 225 ° C'de 10 yıla eşdeğer olan altı simüle edilmiş yeniden akış döngüsü ile kanıtlanmıştır. Dayanıklılık, düşük sıcaklık döngüleri altında en yüksek hata oranına sahip olduğundan, 1e6 yazma döngüleri -40 ° C'de test edildi ve sonuçta ortaya çıkan 0,029 ppm hatası, ECC'nin 1 ppm aralığı içindeydi.
Şekil 22, 100K döngüden sonra paralel (Rp) veya anti-paralel (Rap) hücrenin okuma akımında bir değişiklik olmadığını gösterir.
Şekil 23'te gösterildiği gibi, okuma parazit oranı 1e12 periyodunda görüntülenir < 1ppm, bit hattı öngerilim voltajının bir fonksiyonudur.
Şekil 23, bit hattı öngerilim voltajının bir fonksiyonu olan 1e12 periyodunda okuma kesinti oranının 1 ppm'den az olduğunu göstermektedir.
Manyetik direnç çalışmaları, Şekil 24'te gösterildiği gibi, paketlenmiş MRAM dizisinin bekleme bit hata oranının 25 ° C, 85 ° C ve 125 ° C'de sırasıyla 1100, 750 ve 600 Oe'ye maruz bırakıldığında 1 ppm BER'den daha az olduğunu göstermektedir. Gösterildi.
Şekil 24. 25 ° C, 85 ° C ve 125 ° C'de sırasıyla 1100, 750 ve 600 Oe'ye maruz kalan 1 ppm'den az BER'ye sahip paketlenmiş MRAM dizileri.
Paketin içindeki kalkan, 3,5 kOe mıknatısının kurcalanmasını önlemek için kullanılır. Korumasız örneklerin başarısızlık oranı yaklaşık bir saniye sonra 30 25 ° C'de 80 saat sonra koruyucu bileşenin hassasiyeti 1e6'dan az ve başarısızlık oranı 1 ppm'den azdır.
Daha küçük bir CD'ye sahip parçalar, daha yüksek performans için kullanılabilir ve yeniden akış işlevini tehlikeye atabilir, ancak > Yine de 150 ° C sıcaklıkta 10 yıldan fazla yüksek raf ömrünü koruyabilir. Tablo II ve III, 0.038um2 birimin okuma ve yazma performansını gösterir. Tablo II, 125 ° C'de okuma süresini ve voltaj shmoo'unu gösterir ve 6 ns'lik bir okuma periyodunu gösterir.
Tablo 2: Shmoo, okuma darbesi genişliğini ve 125 ° C'de bit hat voltajını gösterir
Tablo III, -40 ° C'de çoklu programlama için bit satırı yazma voltajını ve programlama darbe genişliği shmoo'unu gösterir. Daha küçük CD'lerin dayanıklılığı, -40 ° C'de 1e9 yazma döngüsünden sonra 1 ppm'den daha iyidir.
Tablo III Shmoo tarafından gösterilen bit satırı yazma voltajı bir darbe genişliğine sahiptir ve -40 ° C'de birçok kez programlanabilir.
Orijinal: https: // dwz .cn / 62Tx4KwO
