【ISSCC 2020】台积电STT-MRAM技术细节，ISSCC

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。