【ISSCC 2020】台积电STT-MRAM技术细节
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。
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。
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。
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。
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。
图13.智能写操作算法,显示动态组写和带写验证的多脉冲写。
MRAM数据可靠性
图14.写入耐久性测试表明,在100K -40度写入循环前后,32Mb芯片访问时间和读取电流均稳定。
图15. 在-40度时,1M循环后写入误码率小于1 ppm。
图16. 热稳定性势垒Eb控制着数据保持能力的温度敏感度,在150℃(1ppm)下数据保留超过10年。
在基于自旋的STT-MRAM的许多应用中,磁场干扰是一个潜在的问题。该解决方案是在封装上沉积0.3mm厚的磁屏蔽层,如图16所示,实验表明在移动设备的商用无线充电器的磁场强度为3500Oe的情况下,暴露100小时的误码率可以从> 1E6 ppm降低到?1ppm。另外,在650 Oe的磁场下,在125°C下的数据保存时间超过10年。
图17.对3500 Oe磁场的灵敏度降低了1E6倍。
结论
22nm ULL 32Mb高密度MRAM具有非常低的功率,高的读取速度,非常高的数据保留能力和耐久性,适用于广泛的应用。单元面积仅为0.0456平方微米,读取速度为10ns,读取功率为0.8mA / MHz / b,在低功耗待机模式(LPSB)下,其在25C时的泄漏电流小于55mA,相当于每比特的漏电流仅为1.7 E-12 A。对于32Mb数据,它具有100K个循环的耐久性,而对于1Mb的数据可以> 1M个循环。它在260°C的IR回流下具有90秒的数据保留能力,在150°C的条件下可保存数据10年以上。产品规格如图18所示,裸片照片如图19所示。
图18. 22nm MRAM规格汇总表。
图19. 22nm CMOS工艺中的32Mb高密度MRAM裸片图。
编者注:图1TEM切片也是模糊的够可以的,有种动作片里打了马赛克的感觉。不过看切片一直都给人一种给少女脱衣服的快感。图1TEM中MRAM位置结构,好像其示意图并不对应。MTJ下方应该还有一个Bottom Via ,然后上方是一个比较厚的上电极再接一个Top via或者M4(如下图所示),而不是像示意图中所描绘的那样。
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