台积电STT-MRAM技术细节讲解

描述

在ISSCC 2020上台积电呈现了其基于ULL 22nm CMOS工艺的32Mb嵌入式STT-MRAM。该MRAM具有10ns的读取速度,1M个循环的写入耐久性,在150度下10年以上的数据保持能力和高抗磁场干扰能力。

 

ULL 22nm STT-MRAM的动机

与闪存相比,TSMC的嵌入式STT-MRAM具有明显的优势。闪存需要12个或更多额外的掩模,只能在硅基板上实现,并且以页面模式写入。而STT-MRAM在后段(BEOL)金属层中实现,如图1所示,仅需要2-5个额外的掩模,并且可以字节模式写入。

该STT-MRAM基于台积电的22nm ULL (Ultra-Low-Leakage)CMOS工艺平台,具有10ns的极高读取速度,读取功率为0.8mA /MHz/bit。对于32Mb数据,它具有100K个循环的写入耐久性,对于1Mb数据,具有1M个循环的耐久性。它支持在260°C下进行90s的IR回流焊,在150°C下10年的数据保存能力。它以1T1R架构实现单元面积仅为0.046平方微米,25度下的32Mb阵列的漏电流仅为55mA,相当于在低功耗待机模式(LPSM,Low Power Standby Mode)时为1.7E-12A / bit。。它利用带有感应放大器微调和1T4R参考单元的读取方案。

 

图1. M1和M5之间的BEOL金属化层中的STT-MRAM位单元的横截面。

 

1T1R MRAM的操作和阵列结构

为减小写电流路径上的寄生电阻,采用了两列公共源极线(CSL,common source line )阵列结构,如图所示。

 

图2.1T1R单元在带有2列CSL的512b列的阵列示意图

字线由电荷泵过驱动,以提供足够的数百毫安的开关电流用于写操作,要求将未选择的位线偏置在“写禁止电压”(VINHIBIT,write-inhibit voltage)上,以防止访问时在所选行中未选中列的晶体管上产生过高的电应力。为了减少未选中的字线上的存取晶体管的位线漏电流,该字线具有负电压偏置(VNEG)。用于读取,写入-0和写入-1的阵列结构的偏置如图3所示。

 

图3.读,写0和写1操作的字线和位线的单元阵列电压表。

 

MRAM读取操作

为了从LPSM快速,低能耗唤醒以实现高速读取访问,它采用了细粒度的电源门控电路(每128行一个),分两步进行唤醒(如图4所示)。电源开关由两个开关组成,一个开关用于芯片电源VDD,另一个开关用于从低压差(LDO, Low Drop-Out )稳压器提供VREG的稳定电压。首先打开VDD开关以对WL驱动器的电源线进行预充电,然后打开VREG开关以将电平提升至目标电平,从而实现<100ns的快速唤醒,同时将来自VREG LDO的瞬态电流降至最低。

 

图4.具有两步唤醒功能的细粒度电源门控电路(每128行一个)。

图5所示的隧道磁电阻比(TMR)House曲线是反平行状态Rap与平行状态Rp之间的比率随电压的变化,在较高温度下显示出较低的TMR和较小的读取窗口。

 

图5 TMR的House曲线显示了在125°C时减小的读取窗口

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。

 

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。

 

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。

 

图8. 125°C时的读取时序图和读取shmoo图。

审核编辑:符乾江
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