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總結(jié)STT-MRAM高性能和耐久性

lhl545545 ? 來(lái)源:EEWORLD ? 作者:EEWORLD ? 2020-06-30 11:01 ? 次閱讀
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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(lái)擴(kuò)展在更高級(jí)的節(jié)點(diǎn)上是無(wú)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(lái)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(guò)改變單元的靜態(tài)電阻來(lái)操作,這種電阻是通過(guò)材料的“Write1”和“Write0”脈沖電流和大小引起。當(dāng)單元被訪問(wèn)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(guò)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(kāi)。“自由層”的磁極化隨寫入電流的方向和大小而改變。無(wú)論自由層的極化與參考層是“平行”還是“反平行”,通過(guò)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(lái)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(kāi)發(fā)了一種新的MTJ材料層堆棧,以優(yōu)化讀訪問(wèn)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(lái)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(kāi)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(lái)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(shuō)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(méi)有相鄰位元“干擾”失敗。

STT-MRAM陣列的耐久性規(guī)范要求開(kāi)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(shuō)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(guò)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(lái),一方面研究人員通過(guò)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(lái)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(wú)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。
責(zé)任編輯:pj

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