總結(jié)STT-MRAM高性能和耐久性

總結(jié)

一種新型自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁阻存儲(chǔ)器（STT-MRAM） IP為高性能嵌入式應(yīng)用提供了一個(gè)有吸引力的選擇。

介紹

如今，社會(huì)上廣泛的應(yīng)用程序都迫切需要嵌入式非易失性內(nèi)存IP。

embedded memory requirements

然而，嵌入式非易失性閃存IP的未來擴(kuò)展在更高級(jí)的節(jié)點(diǎn)上是無效的。一些替代的存儲(chǔ)器技術(shù)已經(jīng)被作為“閃存的替代品”來追求，例如相變存儲(chǔ)器（PCM）材料，電阻變化存儲(chǔ)器（RRAM），自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁阻存儲(chǔ)器（STT-MRAM）。這些技術(shù)提供了密集的位單元（“1T1R”），并通過改變單元的靜態(tài)電阻來操作，這種電阻是通過材料的“Write1”和“Write0”脈沖電流和大小引起。當(dāng)單元被訪問時(shí)，讀操作感知電阻大小，大大降低單元電流。理想情況下，兩個(gè)電阻之間的比率非常高，以加速讀取操作。

作為嵌入式閃存的替代品，這些技術(shù)的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)如下：

波動(dòng)率量度，即操作溫度范圍、數(shù)據(jù)保留（非常依賴于溫度）

Bit密度

Bit單元電阻比

讀寫時(shí)間

數(shù)組寫粒度

低功率

持久性（反映為超過誤碼率閾值之前的R/W周期數(shù)）

額外的制造復(fù)雜性（例如成本）

STT-MRAM是目前采用速度最快的嵌入式內(nèi)存技術(shù)。位元的“磁隧道結(jié)”（MTJ）的截面如圖所示。電池由兩層鐵磁層組成，被一層薄薄的隧道氧化物隔開?！白杂蓪印钡拇艠O化隨寫入電流的方向和大小而改變。無論自由層的極化與參考層是“平行”還是“反平行”，通過這些層的電阻有很大的不同。

MTJ cross section

MTJ截面

用于STT-MRAM的磁隧道層和電子隧道層很容易制作和蝕刻。MTJ滿足典型的嵌入式flash需求，如第一個(gè)圖所示，它具有高粒度尋址能力的巨大優(yōu)勢(shì)。

對(duì)于上面列出的高要求性能和持久性的嵌入式內(nèi)存應(yīng)用程序集，STT-MRAM技術(shù)特性將需要持續(xù)的研發(fā)投資。

STT-MRAM高性能和耐久性

在最近的VLSI 2020研討會(huì)上，來自GLOBALFOUNDRIES的一個(gè)團(tuán)隊(duì)介紹了一種全新高性能STT-MRAM產(chǎn)品。他們開發(fā)了一種新的MTJ材料層堆棧，以優(yōu)化讀訪問時(shí)間并同時(shí)顯著地延長(zhǎng)持久周期的次數(shù)。

下表給出了這個(gè)新的STT-MRAM IP的總體規(guī)范：

requirements table

（高性能應(yīng)用程序的持久性目標(biāo)是使用10nsec寫入脈沖的比特錯(cuò)誤率（BER）限制1E-06 （1 ppm）來定義的。）

與類似eflash的替換設(shè)計(jì)相比，這種高性能電池的保留性能在125攝氏度時(shí)降低到了10秒。（在125C時(shí)保持10秒相當(dāng)于在85C時(shí)保持1周。）這將需要一個(gè)低開銷的刷新周期。

GLOBALFOUNDRIES團(tuán)隊(duì)在陣列實(shí)現(xiàn)中添加了幾個(gè)奇特的工程優(yōu)化：

MTJ陣列采用自適應(yīng)工作電壓

讀出放大器Trim處于最佳性能

例如，Write1和Write0電流方向的電壓偏置適于響應(yīng)內(nèi)部溫度傳感器。所需的Vop在較低的溫度下更高，例如，與25℃相比，在-40℃時(shí)為+10%（在125C時(shí)為-16%）。這是由于在低溫下更高的“脅迫”磁場(chǎng)（coercive magnetic field），必須被克服來改變極化。

Vop versus T

下面的強(qiáng)調(diào)了GLOBALFOUNDRIES在研討會(huì)上提供的技術(shù)認(rèn)證數(shù)據(jù)。

第一個(gè)顯示了具有不同寫入脈沖寬度的兩個(gè)不同MTJ材料堆的中BER，作為Vop的函數(shù)。堆?！癈”被優(yōu)化為單寫脈沖10nsec。（注意，較長(zhǎng)的電流脈沖和/或多個(gè)脈沖，可能包括一個(gè)中間的讀-驗(yàn)證操作，提高了誤碼率。）

write cycle BER

下面的圖說明了在125C下的堆?！癈”的讀存取周期的誤碼率，并帶有檢測(cè)放大器的修整。

read cycle BER

STT-MRAM可靠性評(píng)估

進(jìn)行可靠性評(píng)估，以確保沒有相鄰位元“干擾”失敗。

STT-MRAM陣列的耐久性規(guī)范要求開發(fā)一個(gè)MTJ壽命模型，使用加速電壓和溫度條件下的BER數(shù)據(jù)。（使用足夠的陣列數(shù)據(jù)所需的時(shí)間太長(zhǎng)，因此必須采用其他破壞機(jī)制模型常用的加速應(yīng)力技術(shù)。）GLOBALFOUNDRIES團(tuán)隊(duì)指出，對(duì)于傳統(tǒng)器件柵氧化物的隨時(shí)間變化的介電擊穿（TDDB）有大量的模型參考，但迄今為止，對(duì)MTJ壽命擊穿機(jī)制的模型還很少。

耐久性數(shù)據(jù)（1ppm BER）的結(jié)果為如下所示的可靠性模型：

endurance model

該圖說明了模型外推到》1E12在-40C的耐久周期，使用10nsec的最積極的寫入周期脈沖。對(duì)于高于-40攝氏度的溫度（較低的Vop）和較大的寫入脈沖寬度，這種優(yōu)化的MTJ堆棧的持久周期數(shù)將會(huì)大得多。

通過大量的研發(fā)工程，GLOBALFOUNDRIES團(tuán)隊(duì)展示了一種新型MTJ材料堆棧，提供了STT-MRAM陣列的“高性能”變體。雖然該技術(shù)的初始IP提供了一個(gè)有吸引力的替代非易失性eFlash，這一新技術(shù)推動(dòng)STT-MRAM進(jìn)入一個(gè)極具競(jìng)爭(zhēng)力的位置。

延伸閱讀——STT-MRAM存在的兩個(gè)弊端

隨著自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)以及材料和結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，基于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的STT-MRAM器件應(yīng)運(yùn)而生。自從自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)被證實(shí)以來，一方面研究人員通過大量的努力嘗試降低磁化反轉(zhuǎn)的臨界電流，增加熱穩(wěn)定性。

早期的磁隧道結(jié)采用面內(nèi)磁各向異性（In-Plane Magnetic Anisotropy）。它存在如下兩個(gè)弊端：

1）隨著工藝減小，熱穩(wěn)定性惡化。采用面內(nèi)磁各向異性磁隧道結(jié)的存儲(chǔ)壽命取決于熱穩(wěn)定性勢(shì)壘和磁各向異性場(chǎng)，面內(nèi)磁各向異性的來源是薄膜平面較大的長(zhǎng)寬比。

隨著工藝尺寸的微縮（＜50nm），這種薄膜的邊際效應(yīng)加劇，會(huì)產(chǎn)生顯著的磁渦旋態(tài)，難以保持較高的熱穩(wěn)定性勢(shì)壘，甚至穩(wěn)定的磁化也無法存在，這將限制MRAM的存儲(chǔ)密度；

其次面內(nèi)磁各向異性的磁隧道結(jié)降低了自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率

因此，對(duì)于相同的熱穩(wěn)定性勢(shì)壘，垂直磁各向異性能夠使磁隧道結(jié)的臨界翻轉(zhuǎn)電流比面內(nèi)磁各向異性的更低，相應(yīng)地，自旋轉(zhuǎn)移矩的翻轉(zhuǎn)效率更高。鑒于上述優(yōu)勢(shì)，研究人員也一直致力于采用垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)結(jié)構(gòu)建高密度、低功耗的pSTT-MRAM。

垂直磁各向異性的磁隧道結(jié)；沿面內(nèi)和垂直方向的磁化曲線，證明易磁化軸沿垂直方向。
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